Eine Zahnradbahn ist ein schienengebundenes Verkehrsmittel, dessen Triebfahrzeuge die Antriebskraft mittels eines oder mehrerer Zahnräder in Bewegung umsetzen. Der formschlüssige Eingriff des Zahnrads in die zwischen den beiden Schienen auf den Schwellen befestigte Zahnstange erlaubt die Überwindung stärkerer Steigungen als der reine Adhäsionsantrieb, dessen Stahlräder auf den Stahlschienen durchdrehen oder gleiten können.

Bei Bahnen im Gebirge stehen für die Bewältigung der bedeutenden Höhendifferenzen oftmals nur kurze Distanzen zur Verfügung. Bei größeren Steigungen stößt das System Stahlrad/Schiene konventioneller Adhäsionsbahnen an technische Grenzen, die durch die schlechte Haftung des Stahlrads auf der Schiene hervorgerufen sind. Die zulässigen maximalen Steigungen sind relativ gering und bei Hauptbahnen mit schwerem Güterverkehr auf rund 30 ‰ beschränkt. Ein alleinfahrender laufachsloser Triebwagen kann im Extremfall folgende Steigungen bewältigen:

• auf trockener Schiene Steigungen maximal 160 ‰,
• auf nasser Schiene eine Steigung von 140 ‰.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, werden Bahnstrecken ohne Zahnradtechnik allgemein mit maximal 70 ‰ angelegt. Es gibt von dieser Regel jedoch zahlreiche Ausnahmen, beispielsweise:

• in Frankreich die Linie Saint-Gervais – Vallorcine mit bis zu 90 ‰,
• die Pöstlingbergbahn in Linz mit bis zu 116 ‰
• die Straßenbahn Lissabon mit bis zu 135 ‰ Steigung

Andererseits ist bei der Kohletransportbahn Padang–Sawahlunto der Indonesischen Staatsbahn wegen der relativ großen Zuggewichte und der schwierigen Adhäsionsverhältnisse bei tropischem Klima und Kohlestaub auf den Schienen bereits bei 70 ‰ Zahnradantrieb notwendig.^[1]

Zahnradbahnen überwinden als Bergbahnen Steigungen von bis 480 ‰ bei der Pilatusbahn und mit allein fahrenden Anspannlokomotiven, auch Treidelloks genannt, bis zu 500 ‰ am Panamakanal. Sie verkehren auch als innerstädtische Verbindungen in steilen Hanglagen. Die auf die Vertikale bezogene Steiggeschwindigkeit der Zahnradbahnen ist meistens höher als bei Gebirgsbahnen mit Adhäsionsantrieb.^[2]

Übersicht

Für Zahnradbahnen gibt es verschiedene Antriebsarten, die den betrieblichen Anforderungen entsprechend konzipiert sind. Man unterscheidet zwischen reinen Zahnradbahnen und Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb.

Reine Zahnradbahnen und Strecken mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb

Bei reinen Zahnradbahnen – meist wenige Kilometer lange Bergbahnen – ist der Zahnradantrieb ständig im Eingriff. Die Räder der Triebfahrzeuge sind in der Regel nicht angetrieben und sie können sich ohne Zahnstange nicht fortbewegen. Deshalb sind bei reinen Zahnradbahnen auch die meist kurzen ebenen Abschnitte einschließlich der Bahnhöfe und Zufahrten zur Werkstatt mit Zahnstangen ausgerüstet.

Früher bestanden die Züge der reinen Zahnradbahnen je nach Steigung aus einer Lokomotive und einem bis drei Wagen. Das Triebfahrzeug war bei Berg- und Talfahrt stets talwärts eingeordnet, so dass die Wagen bergauf geschoben wurden. Dabei kann sich der Einbau der zwei vorgeschriebenen mechanischen Bremsen auf das Triebfahrzeug beschränken. Heute kommen mehrheitlich Triebwagenzüge oder Triebwagen zum Einsatz.

Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb wurden dort gebaut, wo nur einzelne Abschnitte mit starken Steigungen vorhanden sind. Bei solchen Bahnen sind die Triebfahrzeuge in der Regel mit einem kombinierten Antrieb ausgerüstet. Vereinzelt gibt es getrennte Antriebe für Adhäsion und Zahnrad. Zudem gab es Bahnen, bei denen die Adhäsionstriebwagen auf den Zahnstangenabschnitten von Zahnradloks geschoben wurden (z. B. die Stansstad-Engelberg-Bahn oder die Rittner Bahn). Ab 1964 verkehrten die Personenzüge nach Engelberg als dreiteilige Wendezüge mit talwärts eingereihten Triebfahrzeug, wobei auf dem 246 ‰ steilen Zahnstangenabschnitt hinter dem Triebwagen ein Post- oder leichter Güterwagen zulässig war. Auch die nur selten verkehrenden Güterzüge wurden auf der Bergfahrt geschoben.^[3]

Der Vorteil gemischter Antriebe ist, dass auf ebenen Streckenabschnitten, wenn das Zahnrad nicht im Eingriff ist, mit höherer Geschwindigkeit gefahren werden kann. Auf Zahnstangenabschnitten ist die Geschwindigkeit nach den Schweizer Vorschriften,^[4] die in diesem Bereich meist als Referenz gelten, auf 40 km/h begrenzt. Für den Fahrzeugdurchlauf ist es allerdings erforderlich, zumindest einen Teil der Wagen mit Bremszahnrädern auszurüsten.

Triebfahrzeuge für gemischte Zahnradbahnen sind komplizierter als reine Adhäsionsfahrzeuge. Die Zentralbahn und ihre Vorgängerinnen beschafften für den umfangreichen Verkehr auf den Talstrecken Triebfahrzeuge ohne Zahnradantrieb. Andererseits sind die auf die Matterhorn-Gotthard-Bahn übergangsfähigen Wagen der Rhätischen Bahn, die selbst keine Zahnstangenabschnitte betreibt, mit Bremszahnrädern ausgestattet.

Siehe auch: Abschnitte Triebfahrzeuge für reine Zahnradbahnen und Triebfahrzeuge für gemischte Bahnen

Zahnstangen bei Standseilbahnen

Bis in die 1890er-Jahre dienten Zahnstangen als Bremseinrichtungen für Standseilbahnen. Für die 1893 eröffnete Stanserhorn-Bahn entwickelten Franz Josef Bucher und Josef Durrer eine Zangenbremse, die ohne kostspielige Zahnstange auskam.^[5] Eine solche Bremszahnstange besitzt die noch in Betrieb befindliche Nerobergbahn in Wiesbaden, bis zum Umbau von 1996 die Zürcher Polybahn oder bei der als Wasserballastbahn betriebenen, heute aber stillgelegten Malbergbahn in Bad Ems.

Treidellokomotiven

Mit Treidellokomotiven werden Schiffe durch die Schleusen des Panamakanals getreidelt. Um die Zugkraft der Loks zu erhöhen, liegt die Zahnstange in den Treidelgleisen durchgehend auch in den waagerechten Abschnitten. Waagerechte Laufrollen stützen sich an den Flanken der Zahnstangen, die von der Bauart Riggenbach abgeleitet wurden, ab und nehmen die erheblichen seitlichen Zugkräfte auf, die beim Führen der Schiffe in den Schleusenkammern auftreten. In den Gleisen für die Leerfahrten der Lokomotiven liegt die Zahnstange nur im Bereich der Steilrampen an den Schleusenhäuptern. Der Zahnradantrieb bewegt hier also die Loks beim Schleppvorgang (beim Treideln) auf den ebenen Strecken und die leeren Loks auf den Rampen bei den Schleusen, die kurze Steigungen bis zu 50 % haben.

Spurweite

Zahnradbahnen können in Normal- oder Schmalspur erstellt sein. Die ältesten Zahnradbahnen der Schweiz sind normalspurig, entweder weil vor 1872 eine andere Spurweite nicht erlaubt war^[6] oder um den Übergang auf benachbarte Normalspurstrecken zu ermöglichen. Bahnen in Normal- und Meterspur weisen eine bessere Querstabilität auf als solche mit 800 Millimeter Spurweite, was insbesondere bei Föhnstürmen von Bedeutung ist. Normalspurbahnen erlauben eine größere Transportkapazität, erfordern aber schwerere Fahrzeuge und größere Kurvenradien. Weil diese Bedingungen bei Bergbahn oft nicht erfüllt sind, verkehrt die Mehrheit der Zahnradbahnen auf Meterspur.

Vor- und Nachteile

Zahnradbahnen finden ihren Verwendungsbereich zwischen den Adhäsionsbahnen und den Seilbahnen. Zahnradbahnen sind vor allem zur Verkehrserschließung von topographisch unterschiedlich beschaffenem Gelände geeignet, wo abwechslungsweise flachere und steile Streckenabschnitte im Adhäsions- bzw. im Zahnstangenbetrieb durchgehend befahren werden können. Zudem haben sie ihre Berechtigung bei verhältnismäßig langen Steilstrecken mit großen geforderten Transportkapazitäten. Vorteilhaft ist ihre unbegrenzte Streckenlänge, wobei die Bahn je nach Gelände für einen wahlweisen Adhäsions- und Zahnstangenbetrieb gebaut werden kann. Zusätzlich können Steigungen und Gefälle abwechselnd aufeinander folgen. Traktorbetrieb ist aufwendiger als der Betrieb einer gemischten Zahnradbahn. Typische Beispiele für in das Eisenbahnnetz eingebundene Strecken sind die Matterhorn-Gotthard-Bahn und die Zentralbahn, die nicht nur dem Tourismus, sondern auch der regionalen Erschließung für die einheimische Bevölkerung dienen.

Auf Steigungen bis 250 ‰ dürfen Züge bei der Bergfahrt gezogen werden.^[7] Bei den wenigen Bahnen mit größeren Steigungen müssen die Züge geschoben werden oder es kommen Triebwagen zum Einsatz.

Kosten

Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, vor allem, wenn die Trassen in schwierigem Gelände angelegt werden müssen. Der Bau der Fahrbahn und die Erstellung von Brücken, Tunnels und Verbauungen gegen Steinschlag und Lawinen sind kostspielig, so dass der Bau einer Zahnradbahn wesentlich teurer sein kann als der einer Luftseilbahn. Kostenintensiv sind zudem die Spezialkonstruktionen an Fahrzeugen und Schienen. 1991 plante die damalige Luzern-Stans-Engelberg-Bahn eine Vergrößerung ihrer Transportkapazität. Der Preis eines leistungsfähigen Doppeltriebwagens mit 2100 kW für 246 ‰ Steigung wurde auf 16 Millionen Schweizer Franken veranschlagt, so viel wie für einen kurzen Intercity-Zug mit einer Lokomotive 2000 und fünf Eurocity-Wagen. Allein der Ersatz der vorhandenen acht Triebwagen BDeh 4/4 hätte rund 130 Millionen Franken gekostet. Man zog es vor, stattdessen den für 68 Millionen Franken budgetierten Tunnel Engelberg mit 105 ‰ Steigung zu bauen.^[8]

Fahrgeschwindigkeit

Ein weiterer Nachteil sind die relativ geringen Fahrgeschwindigkeiten, vor allem aus Sicherheitsgründen bei der Talfahrt mit Rücksicht auf ein sicheres Bremsen bei normalem Betrieb und in Notfällen.

Höchstgeschwindigkeit bei Talfahrt auf Zahnstangenstrecken (Auszug)^[9]

Auf der Bergfahrt kann die Fahrgeschwindigkeit höher sein. Sie ist im Wesentlichen durch die Traktionsleistung des Triebfahrzeugs bestimmt.^[8]

Eignung für Güterverkehr

Die Zahnradbahn ist zum Personen- wie zum Gütertransport geeignet, was vor allem für Linien, die der regionalen Erschließung dienen, von besonderer Bedeutung ist. Die Matterhorn-Gotthard-Bahn (MGB) und die Wengernalpbahn spielen eine wichtige Rolle bei der Erschließung der autofreien Orte Zermatt und Wengen. Die MGB erschloss auch eine Baustelle des Gotthardbasistunnels und führte täglich Güterzüge mit Baumaterialien. Es gibt oder gab auch Zahnradbahnen, die fast ausschließlich oder ganz für den Güterverkehr bestimmt sind, wie z. B. die Bahnstrecke zwischen São Paulo und der Hafenstadt Santos in Brasilien, die eingestellte Kohletransportbahn Padang–Sawahlunto der Indonesischen Staatsbahn^[10] oder früher die Transandenbahn zwischen Chile und Argentinien beziehungsweise die Strecke zum Bau des Gotthard-Basistunnels bei Sedrun.

• Zwei He 4/4 der MRS Logística be­fördern auf 104 ‰ Steigung Güter­züge mit bis zu 750 t Anhängelast.^[11]

• Zementzug der Matterhorn-Gotthard-Bahn (MGB) auf der Oberalpstrecke mit einer HGe 4/4 II

• Talwärts fahrender Güterzug der Wengernalpbahn mit einer He 2/2

• HGe 4/4 I vor einem Güterzug der damaligen Furka-Oberalp-Bahn um das Jahr 1980

Die meist sehr kurzen Werkbahnen machten einen geringen Teil der weltweiten Zahnradstrecken aus. Die meisten Werkbahnen wurden in Deutschland vor allem für den Bergbau und die Schwerindustrie erstellt.

Umweltaspekte

Obwohl Zahnradbahnen sowie Adhäsionsbahnen umweltfreundliche Verkehrsmittel sind, können gewisse nachteilige Einflüsse kaum vermieden werden. Der Bau der Trasse führt bei allen Landverkehrsmitteln zu baulichen Eingriffen in die Natur. Dank der Möglichkeit der steilen Linienführung kann jedoch ein kurzer Weg gewählt und das Gleis ins Gelände eingepasst werden. Zur Durchquerung von Wäldern ist eine Schneise im Hochwald von etwa zehn Metern Breite notwendig (außerhalb einer schmaleren Schneise ist aber ein Niederwaldstreifen möglich. Niederwald ist ein wertvoller Lebensraum, der seit den 1950ern selten geworden ist). Wildtiere gewöhnen sich an den Bahnbetrieb und lassen sich von den Zügen nicht stören.^[12]

Der Energieverbrauch von Zahnradbahnen ist beträchtlich höher als im Adhäsionsbetrieb. Ein 50 Tonnen schwerer Zug benötigt für die Bewältigung des Neigungswiderstands auf 250 ‰ Steigung rund 30 kWh/km. Ein Teil davon kann allerdings durch die elektrische Rekuperationsbremse zurückgewonnen werden.^[13] Elektrische Antriebe führen zu höheren Erstellungskosten als mit Dieselmotoren betriebene Bahnen. Sie haben aber einen besseren Wirkungsgrad, sind lokal abgasfrei und produzieren weniger Lärm.

Wie alle beweglichen Verzahnungen benötigt auch die einer Zahnradbahn eine Schmierung, typischerweise durch Fett. Dies ist eine Verbrauchsschmierung, folglich bleibt auf der Zahnstange Schmierstoff zurück. Die benötigte Schmiermittelmenge hängt stark von der Witterung ab und ist bei einem Schneesturm am höchsten.^[14] Schmiermittel kann z. B. durch Niederschläge ins Erdreich gespült werden. Um Umweltschäden zu vermeiden, darf folglich kein gewöhnliches Maschinenfett (Mineralölprodukt) verwendet werden, sondern nur vergleichsweise teure – und weniger temperaturbeständige – pflanzliche oder tierische Fette.^[15]

Technik

Zahnstangensysteme

Die vier weltweit bekanntesten Zahnstangensysteme haben sich allesamt bewährt, und kein Zahnradsystem wurde seit dem jeweiligen Bahnbau grundlegend verändert. Sie wurden von Schweizern entwickelt und heißen entsprechend dem Namen des Patentinhabers:

Leiterzahnstangen

• System Marsh – Sylvester Marsh

Das System besteht aus einer Leiterzahnstange mit Zähnen aus Rundprofil. Es wird bei der ab 1866 gebauten und 1869 fertiggestellten Mount Washington Cog Railway eingesetzt und wurde auch für die Steinbruchbahn in Ostermundigen bei Bern verwendet.^[16] Im Gegensatz zu Riggenbach verzichtete Mash weitgehend auf die Vermarktung seines Systems.

Bei der Mount-Washington-Bahn liegt der Teilkreis der Zahnräder auf Höhe der Schienenoberkante. Damit ragen die Zahnräder unter die Schienenoberkante und deren Fahrzeuge können Weichen in Regelbauart nicht befahren. Bei der 1871 eröffneten Werkbahn Ostermundigen hingegen befindet sich der Kopfkreis über der Schienenoberkante, so dass ihre Lokomotiven über die Adhäsionsweichen im Bahnhof Ostermundigen verkehren konnten.^[5]

• System – Niklaus Riggenbach

System Riggenbach

Die von Riggenbach 1863 in Frankreich patentierte Zahnstange unterscheidet sich vom System Marsh nur geringfügig. Zwischen zwei U-förmigen Profilen sind die Zähne als Sprossen eingesetzt. Ursprünglich waren sie genietet, heute werden sie geschweißt. Diese Bauart zeichnet sich aus durch trapezförmige Zähne, was Evolventenverzahnung und damit eine konstante Kraftübertragung ermöglicht. Untersuchungen zeigten, dass die eingeführte Zahnform optimal war. Deren Flankenwinkel wurden auch für die späteren Zahnstangenbauarten übernommen.^[18] Die Riggenbach-Zahnstange ist wegen ihrer massiven Konstruktionsweise robust, lässt sich mit einfachen Mitteln fertigen und erreicht die zweitgrößte Verbreitung aller Systeme.^[19]

Bei den 1871 bis 1875 in Betrieb genommenen Bahnen auf die Rigi ragen wie beim System Marsh die Zahnräder unter die Schienenoberkante. Bei der 1875 eröffneten Rorschach-Heiden-Bergbahn (RHB) befindet sich der Kopfkreis über der Schienenoberkante, so dass ihre Triebfahrzeuge über konventionelle Weichen hinweg in den Bahnhof Rorschach einfahren können.

Da sich die fertige Zahnstange nicht biegen lässt, müssen die Zahnstangenelemente genau für den jeweils benötigten Radius hergestellt werden. Eine Zahnstangenstrecke wird deshalb so geplant, dass sie mit möglichst wenigen Grundelementen erstellt werden kann. Auf dem 9,3 km langen Zahnstangenabschnitt der Brüniglinie beispielsweise gibt es deswegen ausschließlich gerade Zahnstangenstücken sowie solche mit einem Links- bzw. Rechtsradius von 120 Metern. Wegen der fehlenden Biegsamkeit der Riggenbach-Zahnstange wurden ursprünglich Schiebebühnen verwendet, während heute überwiegend konventionelle Weichen in Verbindung mit schwenkbaren Zahnstangen und Fahrschienen im Zwischenschienenbereich eingesetzt werden (siehe Abschnitt Gleisverbindungen). Die Riggenbach-Zahnstange wird auf Stahlsätteln gelagert oder direkt auf die Schwellen montiert. Bei auf Sätteln gelagerten Zahnstangen kann der Schnee unten herausgedrückt werden und wird nicht zwischen den U-Profilen verdichtet.

Daneben gibt es verschiedene abgeänderte Arten:

• System Riggenbach-Pauli – Arnold Pauli^[20]

Die von der Maschinenfabrik Bern (später Von Roll) verbesserte Zahnstange ermöglicht kleinere Kurvenradien und erleichtert wegen des über der Schienenoberkante liegenden Zahnrad-Kopfkreises den Bau von Weichen. Die Riggenbach-Pauli-Zahnstange wurde erstmals 1893 bei Wengernalpbahn und der Schynige Platte-Bahn angewendet.^[21]

• Systeme Riggenbach-Klose und Bissinger-Klose – Adolf Klose

Die einzelnen Zähne zwischen den Wangen liegen auf einer Längsrippe auf, so dass sich die Zähne nicht verdrehen können. Das etwas aufwendigere System wurde als Zahnstange Riggenbach-Klose nur für die Appenzeller Straßenbahn St. Gallen–Gais–Appenzell und auf der Strecke Freudenstadt–Baiersbronn der Murgtalbahn und als System Bissinger-Klose bei Höllentalbahn und der Zahnradbahn Honau-Lichtenstein verwendet.

• System Riggenbach: Sonderkonstruktion für Bahnübergänge

Bei der Sanierung eines Teilstücks mit Strub-Zahnstange baute die St. Gallen-Gais-Appenzell-Altstätten-Bahn im Jahr 1981 für zwei Bahnübergänge eine Sonderkonstruktion einer Riggenbach-Zahnstange ohne Wangenüberhöhung^[17] (siehe auch Bild links im Abschnitt Zahnstangen und -räder).

• System Morgan – Edmund C. Morgan

Morgan entwickelte ein mit der Riggenbach-Zahstange verwandtes System, das die Zahnstange als dritte Schiene zur Stromversorgung der elektrischen Lokomotive verwendete. Das System wurde in den USA in Bergwerken und bei der Chicago Tunnel Company eingesetzt.

• Treidelbahn am Panamakanal

Bei den Treidelbahn am Ufer des Panamakanals werden zur Überwindung der Höhenunterschiede an den Schleusen spezielle Zahnstangen verwendet, die ebenso auf dem System Riggenbach beruhen.

Lamellenzahnstangen

• System Abt – Carl Roman Abt

System Abt, Zweilamellenzahnstange

Als Weiterentwicklung zum System Riggenbach liegen hier zwei oder drei mit Zähnen versehene Lamellen gegeneinander versetzt mit den Zähnen nach oben im Gleis, was beliebig anpassbare Kurvenradien ermöglicht. Die Zahnstange sollte zudem die bei der Rigibahn entstandenen Probleme mit Teilungsfehlern an den Zahnstangenstößen vermeiden, aber auch preisgünstiger als die Riggenbach-Zahnstange sein. Als Einziger verwendete Abt eine Zahnteilung von 120 mm anstatt der üblichen 100 mm. Die Breite der Lamellen hängt vom größten auftretenden Zahndruck ab, ihr Abstand beträgt mehrheitlich 32 bis 40 mm.^[22] Diese Bauart erreichte weltweit die größte Verbreitung.^[19] Die Anwendung der dreilamelligen Zahnstange blieb in Europa auf die seinerzeitige Harzbahn beschränkt. In Übersee kommt das dreilamellige Abt-System auf der Strecke Santos–Jundiaí und der Ikawa-Linie^[23] sowie früher bei der Bolanbahn, der Transandenbahn^[24] und der Bahn über den Usui-Pass zum Einsatz.

Die Zahnstange ist leicht, jedoch relativ schwach und deswegen eisempfindlich. Die Lamellen ruhen auf Gusssätteln, die mit den Gleisschwellen verschraubt sind. Sie sind um die Hälfte beziehungsweise einem Drittel ihrer Länge gegeneinander verschoben, dass die Stöße nicht auf gleicher Höhe liegen. Besonderer Vorteil bei Verwendung mehrerer Lamellen ist die ruhige, stoßfreie und betriebssichere Kraftübertragung durch die um einen halben bzw. drittel Zahn versetzte Teilung der Lamellen; dabei ist allerdings eine Torsionsfederung der Triebzahnräder erforderlich, um eine gleichmäßige Aufteilung des Zahndrucks auf beiden Lamellen zu erreichen. Die Zahnstangeneinfahrten mit gefederter Spitze und kleineren Zähnen waren von Anfang an Teil des Systems. Es gibt für diese Zahnstange keine Einrichtung, um das Fahrzeug gegen Aufklettern zu sichern.^[25] In Weichenbereichen oder in flachen Abschnitten wird zum Teil nur eine Lamelle außermittig verlegt.

Das System wurde insbesondere für den durchgehenden Betrieb auf Strecken mit Zahnstangen- und Adhäsionsabschnitten entwickelt, die Zahnräder liegen generell oberhalb der Schienenoberkante. Die erste Anwendung war die zwischen 1880 und 1886 gebaute Harzbahn von Blankenburg nach Tanne der Halberstadt-Blankenburger Eisenbahn.^[26] Technisch eng mit dem System Abt verwandt ist das System Von Roll mit nur einer Lamelle (siehe unten).

• Telfener – Graf Telfener

Die mehrteilige Lamellenzahnstange der St. Ellero-Saltino-Bahn bestand aus zwei nicht gegeneinander versetzten Winkelstählen.^[27]

• System Von Roll – Firma Von Roll

Die Firma Von Roll (heute Tensol) hat die Strubsche Zahnstange zu einer nach ihr benannten Lamellenzahnstange weiterentwickelt. Wie beim System Abt besteht diese Zahnstange aus Breitflachstahl verschiedenster Abmessungen, in den die Zähne mit der Verzahnungsgeometrie der Systeme Riggenbach und Strub gefräst werden. Die Zahnstange kommt in erster Linie bei Neubauten sowie beim Ersatz alter Zahnstangen nach den Systemen Riggenbach oder Strub zur Anwendung, da sie in der Herstellung günstiger und in der Anwendung flexibler ist als die Originalfertigung nach Riggenbach oder Strub. Sie hat je nach Zahndruck eine Breite von 30 bis 80 mm und kann durchgehend verschweißt werden. Zur Befestigung auf den Schwellen dienen Profilstahl-Sättel.

Einteilige Lamellenzahnstangen wurden vereinzelt auch schon vor der Entwicklung der Von-Roll-Zahnstange eingesetzt.^[25]

Zahnschienen

• System Strub – Emil Strub

System Strub

Die Strub’sche Breitfußschiene mit Evolventenverzahnung ist das jüngste der drei für den Mischbetrieb geeigneten Systeme. Die erste Anwendung war die Jungfraubahn im Berner Oberland. Ab diesem Zeitpunkt gebaute Zahnradstrecken verwendeten vorwiegend diese Zahnstange. Ihre Verbreitung blieb gering, weil danach nur noch wenige Zahnradstrecken neugebaut wurden.

Die Zähne sind in eine der Keilkopfschiene ähnlichen Schiene eingefräst. Durch Haken, die um den Schienenkopf herumgreifen, soll bei besonders steilen Abschnitten ein Aufklettern verhindert werden, d. h. die Lokomotive oder ein Triebwagen kann durch die an den Zähnen auftretenden Kräfte nicht aus dem Gleis gehoben werden. Die Erfahrungen mit diesen Sicherheitszangen waren nicht eindeutig.^[25] Auf dem Meterspurnetz der Appenzeller Bahnen wurden Zahnstangen vom System Strub mit den gleichen Zahnrädern wie die Riggenbachsche Zahnstange befahren, weil Teilung und Teilkreishöhe identisch waren.

Die Herstellung der Strub-Zahnstangen ist teuer, die Verlegung der Zahnstange aber einfach. Im Unterhalt ist sie anspruchslos. Sie kann lückenlos verschweißt werden. Strub-Zahnstangen werden wie Fahrschienen in Rippenplatten üblicherweise nach der Oberbauform K auf den Schwellen befestigt, wobei das gleiche Befestigungsmaterial wie für das Gleis verwendet wird.

Die Jungfraubahn war die einzige Zahnradbahn, bei der die Zahnstange ursprünglich auch der Zangenbremse diente. Sie hat sich nicht bewährt, weil wegen der kleinen Berührungsfläche die Abnutzung viel zu groß war. Später wurde die Zangenbremse von der Jungfraubahn noch bei Güterwagen als Festhaltebremse benutzt.^[29]

• System Peter – H. H. Peter

Die Fischgrätenzahnstange Peter besteht wie die von Strub aus einem schienenartig geformten Träger, in dessen Kopf beidseits waagrechte Zähne ausgefräst werden. Die Zahnstange ist einfacher herzustellen als die von Locher und hätte auch für gemischte Bahnen verwendet werden können. Sie war für die Karlsbad-Dreikreuzberg-Bahn mit 500 ‰ Steigung vorgesehen, deren Bau wegen des Ausbruchs des Ersten Weltkrieges eingestellt wurde.^[30]

Zahnstangen für waagrechten Zahneingriff

• System Locher – Eduard Locher

System Locher

Die Zahnräder greifen von der Seite aus auf die Fischgrätenzahnstange mit Zähnen auf der linken und rechten Seite ein. Die Zahnteilung beträgt 85,7 mm.^[22] Mit diesem System wird ein Aufklettern nicht nur durch die waagrechte Krafteinwirkung und die somit fehlende hochhebende Kraft verhindert, sondern auch durch eine schmale durchgehende Zusatzschiene unter der Zahnstange. Diese führen die Fahrzeuge auch seitlich. Die Spurkränze, die sich im Fall der Pilatusbahn auf der Außenseite der Fahrschienen befinden, werden nur zur Führung in den zahnstangenlosen Werkstattgleisen benötigt. Zudem heben sich die seitlich wirkenden Kräfte gegenseitig auf.

Das System Locher ermöglicht als einziges der verwendeten Zahnstangensysteme die Überwindung von wesentlich mehr als 300 ‰ Steigung, weil es das Aufsteigen aus der Zahnstange verhindert. Es wurde bislang nur bei der Pilatusbahn verwendet. Eine weitere Verwendung hat die Locher-Zahnstange wegen der großen Kosten nicht gefunden. Gleisverbindungen verlangen Schiebebühnen oder Gleiswender, da Weichen nicht ausführbar sind. Für Mischbetriebsstrecken ist es nicht verwendbar.

Das Schiffshebewerk am Krasnojarsker Stausee benutzt eine ähnliche Konstruktion.

Verwandte Bauarten

• System Wetli – Kaspar Wetli

Das Walzenradsystem sollte bei der Wädenswil-Einsiedeln-Bahn Verwendung finden, kam auf Grund eines Unfalles bei einer Probefahrt am 30. November 1876 aber nicht in den kommerziellen Betrieb.

• System Fell – John Barraclough Fell

Das System Fell ist keine eigentliche Zahnradbahn, sondern ein Mittelschienen-Reibradantrieb auf eine in der Gleismitte liegende dritte Schiene.

Triebfahrzeuge

Auf Zahnradbahnen werden elektrische und dieselbetriebene Triebfahrzeuge sowie auch heute noch Dampflokomotiven eingesetzt. Von den weltweit verkehrenden Zahnradtriebfahrzeugen werden nur zirka 15 % mit Diesel und 5 % mit Dampf betrieben.

Bei den bestehenden elektrischen Zahnradbahnen sind folgende drei Stromsysteme im Gebrauch:

• Gleichstrom mit verschiedenen Spannungen bei kurzen und mittleren Betriebslängen. Die Mehrzahl der Gleichstrombahnen verwendet eine Spannung von 1500 Volt. Sie erlaubt Abstände von vier bis fünf Kilometern zwischen den Gleichrichterstationen.
• Einphasenwechselstrom bei einigen reinen Zahnradbahnen und bei längeren gemischten Adhäsions-/Zahnradbahnen (siehe Liste von Zahnradbahnen). Die hohe Spannung des Wechselstroms erlaubt große Abstände zwischen den Umspannwerken, die Triebfahrzeuge benötigen jedoch einen Transformator, dessen hohes Gewicht nachteilig ist.
• Drehstrom bei den reinen Zahnradbahnen auf die Jungfrau, den Gornergrat, den la Rhune und den Corcovado. Klassische Drehstrom-Technik benötigt doppelte Oberleitungen, erlaubt jedoch einfache Rekuperationsbremsen, die aber auf der Bergfahrt keine höhere Geschwindigkeit als talwärts erlaubt.

Der Bau und Betrieb von Zahnradtriebfahrzeugen sind und waren technisch sehr anspruchsvoll. Im Vergleich zu Adhäsionsbahnen sind Grenzen gesetzt durch:

• enge Bögen, große Klimaunterschiede und rauer Winterbetrieb,
• Belastungsgrenzen der Zahnstange und der Zugvorrichtungen,
• Entgleisungssicherheit des Zuges auf der Talfahrt auch in engen Bögen bei Maximalgefälle.^[31]

Wichtigster Hersteller von Zahnrad-Triebfahrzeugen war seit 1874 die Schweizerische Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) in Winterthur. Nach der Auflösung der SLM im Jahr 1988 wurde der Zahnradbahnbereich von Stadler Rail übernommen. Von den weltweit bei bestehenden Zahnradbahnen in Betrieb stehenden Triebfahrzeugen stammen mehr als zwei Drittel von der SLM^[32] oder von Stadler. Die Lokomotivfabrik Floridsdorf in Wien besaß die alleinigen Patente des Zahnstangensystems Abt für das Gebiet Österreich-Ungarns. Sie wurde damit neben der weltweit tätigen SLM zur größten Produzentin von Zahnradbahntriebfahrzeugen und lieferte fast alle in der Doppelmonarchie bestellten Zahnradlokomotiven, unter anderem die Maschinen der Erzbergbahn und der Bosnisch-Herzegowinischen Landesbahnen. In Deutschland erwarb sich die Maschinenfabrik Esslingen einen besonderen Ruf durch den Bau von Zahnradlokomotiven. In den USA belieferte Baldwin Locomotive Works in Philadelphia einige amerikanische Auftraggeber.

Die Bauartbezeichnungen der Schweizer Lokomotiven und Triebwagen unterscheiden zwischen reinen und gemischten Zahnradbahnen. Bei reinen Zahnradfahrzeugen kommt das h an erster Stelle nach den Großbuchstaben (z. B. Zahnradtriebwagen Bhe 4/4), bei kombiniertem Adhäsions- und Zahnradantrieb am Schluss (Beh 4/4). H 2/2 ist eine Zahnraddampflokomotive des reinen, HG 2/2 des gemischten Systems.

Triebfahrzeuge für reine Zahnradbahnen

Bei den Zahnradbahnen reinen Systems werden die Räder nur für die Abstützung und Führung der Fahrzeuge benützt. Die Fortbewegung der Fahrzeuge erfolgt ausschließlich über die Zahnräder. Solche Zahnradbahnen überwinden mit vertikal eingreifenden Zahnrädern Maximalsteigungen von 250 bis 300 ‰.

Dampflokomotiven

Die Dampflokomotiven der reinen Zahnradbahnen haben ein oder zwei Triebzahnräder und bei nur einem Zahntriebrad meist noch ein Bremszahnrad. Für größere Zuggewichte müssen zwei Triebzahnräder angewendet werden, damit der Zahndruck nicht zu hoch wird und um der Gefahr des Aufkletterns des Zahnrads aus der Zahnstange zu begegnen. Solche Lokomotiven wurden z. B. von der Wengernalp-, der Snowdon-, der Schafberg- und der Schneebergbahn beschafft. Eine Lokomotive mit drei Triebzahnrädern ist bei Pike's Peak Railway zur Anwendung gekommen.^[33]

Zahnrad-Dampflokomotiven sind grundsätzlich als Tendermaschinen gebaut, um die Wagenzugmasse möglichst tief zu halten und das Lokomotivgewicht für die Sicherung des Zahneingriffs auszunutzen. Für die Ergänzung des Speisewasservorrats wird unterwegs mehr Zeit einberechnet.

Da man in den unterschiedlichen Steigungen Schwankungen des Wasserstands im Kessel befürchtete, wurden der ersten Lokomotiven der Vitznau-Rigi-Bahn mit Stehkessel ausgerüstet. Im Betrieb und besonders im Unterhalt bewährten sich diese Kessel nicht, so dass sie nach 12 bis 19 Jahren durch liegende, um etwa 10 % geneigte Kessel ersetzt wurden.

Die marktbeherrschende Stellung der SLM führte zu einer gewissen Standardisierung der Bauarten. Die Bilderreihen illustrieren jeweils die Entwicklung der Zahnradtriebfahrzeuge,^[33][34] wobei bei nicht von der SLM oder Stalder Rail stammenden Fahrzeugen der Hersteller erwähnt ist:

• Normalspurige H 1/2 der Vitznau-Rigi-Bahn mit einem Triebzahnrad und stehendem Kessel. Die Spurweite verbesserte die Stabilität des ste­henden Kessels. (1870, SCB)

• H 1/2 der Arth-Rigi-Bahn mit einem Triebzahnrad und liegendem Kessel, geliefert von der Internationalen Gesellschaft für Bergbahnen (1875)

• Maschine mit einem Trieb­zahn­rad T, das mit Blindwelle b₁ und Übersetzung von den Zylindern C angetrieben wird. Hintere Laufachse L mit Brems­zahnrad und Bremsscheiben b₂

• Die Dampftriebwagen Bhm 1/2 der Pilatusbahn sind eine Sonder­konstruktion für das Zahn­stangen­system Locher (1886)

• Die Abt­sche Zahnradlokomotive H 2/3 der Monte-Generoso-Bahn mit zwei Triebzahnrädern war eine Original­konstruktion der SLM (1889)

• Bei Maschinen mit zwei Trieb­zahn­rädern erfolgt der Antrieb über eine einarmige Schwinge R mit tief­liegendem Drehpunkt a

• Baureihe 999.1 der Schafbergbahn mit zwei Triebzahnrädern, hergestellt von Krauss in Linz (1893)

Elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge

Da in den Bergen ausreichend Wasser zur Stromerzeugung zur Verfügung steht, wurde bereits 1882 mit der Chemin de fer du Salève in den Hochsavoyen die erste elektrische Zahnradbahn der Welt dem Verkehr übergeben, die mit 600 Volt Gleichstrom betrieben wurde. Noch vor der Jahrhundertwende wurden die Gornergrat- und die Jungfraubahn eröffnet, wobei man sich dem damaligen Stand der Technik entsprechend zur Verwendung von Drehstrom entschied. Seit dem 20. Jahrhundert verkehrt die große Mehrheit der elektrisch betriebenen Zahnradbahnen mit Gleichstrom.

Der Antrieb heutiger Fahrzeuge erfolgt mit Kompakteinheiten, die Motor, Getriebe, Bremstrommel und Triebzahnrad umfassen.^[2] Jeder Fahrmotor treibt ein an einem Radsatz frei drehend gelagertes Triebzahnrad an. Wegen der verhältnismäßig kleinen Fahrgeschwindigkeit hat das Getriebe meistens eine doppelte Übersetzung. Zur Vermeidung von unerwünschten Radentlastungen durch die Motordrehmomente werden die Fahrmotoren üblicherweise quer im Drehgestell eingebaut. Die Triebzahnräder mit Evolventenverzahnung greifen immer mindestens mit zwei Zähnen in die Zahnstange. Sie sind tangential gefedert zum Ausgleich von Stößen, die durch Zahnstangenteilungsfehler verursacht werden können.

Die Anzahl der Triebachsen wird durch die notwendige Zugkraft bestimmt. Für moderne Doppeltriebwagen mit vier baugleichen Drehgestellen genügt in vielen Fällen eine einmotorige Auslegung. Drehgestelle mit je einer Trieb- und einer Laufachse haben den Vorteil gleichmäßiger Zahnstangenbelastung, erlauben Doppeltraktion zweier Doppeltriebwagen^[35] und sind im Fall einer Entgleisung sicherer als zwei Trieb- und zwei Laufdrehgestelle.^[14]

• He 2/2 der Gornergratbahn, hier als Denkmal in Stalden, mit zwei Motoren und zwei Triebzahnrädern (1898)

• Der BCeh 2/3 der Arth-Rigi-Bahn für 1500 V Gleichstrom ist der älteste noch in Betrieb stehende Zahnrad­triebwagen der Welt (1911)

• Bhe 2/4 der Vitznau-Rigi-Bahn, Wa­genkasten in selbsttragender Stahl­konstruktion, talseitiges Lauf- und bergseitiges Triebdrehgestell mit zwei Motoren und Tatzlagerantrieb (1937)

• BChe 2/4 der Rochers-de-Naye-Bahn mit je einer Trieb- und Laufachse pro Drehgestell (1938)

• Die viermotorigen ABDhe 4/4 der Wengernalpbahn mit Steuerwagen ersetzten lokbespannte Züge (1947)

• Dieselelektrischer Zahnradtriebwagen Bhm 2/4 der Pike's Peak Railway mit zwei Unterflur-Dieselmotoren (1960)

• Der Doppeltriebwagen Bhe 4/8 der Gornergratbahn hat vier Drehgestelle mit je einer Trieb- und Laufachse. (1965)

• Die Anschnittsteuerung der BDhe 4/8 der Jungfraubahn ermöglicht auch bei Drehstrombahnen eine schnellere Berg- als Talfahrt. (1992)^[14]

• Die He 2/2 der Wengernalpbahn ist das erste Zahnradfahrzeug mit Drehstrom-Umrichterantrieb. (1995)

• Bhe 4/6 3083 der drehstrom­be­trie­be­nen Gornergratbahn mit Drehstrom-Drehstrom-Umrichter (2006)^[36]

• Vierachsige Umrichter-Berglokomotive 19 der Bayerischen Zugspitzbahn für 40 t Vorstelllast auf 250 ‰ (2016)^[37]

Die neueren technischen Entwicklungen finden sowohl bei reinen als auch gemischten Zahnradbahnen Anwendung:

• Triebwagen Nr. 6 der Bayerischen Zugspitzbahn mit Sicken in den Sei­ten­wänden zur Gewichtseinsparung (1978)

• Zwei dreiteilige BDSeh 4/8 der Matterhorn-Gotthard-Bahn mit Panorama- und Niederflurwagen und Drehstrom-Umrichterantrieb (2002)

• Der Zahnrad-GTW der Cremallera de Núria basiert auf einer Großserie von Adhäsionsfahrzeugen, was Kosten spart. (2003)

• Mit Biodiesel betriebene Lokomotive M4 „Agiocochook“ der Mount Wa­shington Cog Railway, ein Eigenbau der Bahngesellschaft (2008)^[38]

Triebfahrzeuge für gemischte Bahnen

Dampflokomotiven

Die erste Lokomotive für gemischten Adhäsions- und Zahnradantrieb war die „Gnom“ für die 1350 Meter lange Werkbahn des Sandsteinbruchs Ostermundigen bei Bern.^[5] Das Zahnrad lief auf der Adhäsionstrecke ohne Eingriff leer mit.

Bei der Erzbahn Žakarovce und dann bei der Brünigbahn und der Padangbahn auf Sumatra wurden zunächst Lokomotiven mit einem Zylinderpaar und gekuppelten Adhäsions- und Zahnradtriebwerk verwendet. Die einfach gebauten Maschinen eigneten sich für kleinere Zugkräfte, bewährten sich jedoch nicht im Betrieb auf längeren Strecken wie der Brüniglinie.

Die später erbauten Dampflokomotiven verfügen über einen getrennten Antrieb, wobei die Triebzahnräder auf den Adhäsionsabschnitten ausgeschaltet werden. (siehe Abschnitt Getrennte Zahnrad- und Adhäsionsantriebe)

• „Gnom“ des Steinbruchs Oster­mundigen (1871, Internationale Gesellschaft für Bergbahnen)

• Lok der Erzbahn Žakarovce in der heutigen Slowakei für gemischten Adhäsions- und Zahnradbetrieb (1884, Maschinenfabrik Esslingen)

• HG 2/2 für die Brüniglinie der Jura-Bern-Luzern-Bahn für gemischten Betrieb (1887)

• Dreikuppler-Maschine kkStB 69 der Erzbergbahn mit hinterer Laufachse und zwei Triebzahnrädern (1890, Lokomotivfabrik Floridsdorf)

• Gekuppelte Triebwerke mit Zylindern C, Blindwelle b, Übersetzung v/V, Triebzahnrad T, Kuppelstange c und Triebachsen R

• Tramlokomotive „Cortaillod“ der Straßenbahn Neuenburg (1892, Krauß München)

Elektrische und dieselbetriebene Triebfahrzeuge

Bei diesem Antrieb wird der Zahnradteil mit einem Adhäsionsteil erweitert. Der Außendurchmesser des Triebzahnrades ist meistens kleiner als der Triebraddurchmesser. Deswegen sind zwei verschiedene Übersetzungen erforderlich. Obwohl sie so gewählt werden, dass beide Antriebsteile die gleiche Fahrgeschwindigkeit ergeben sollen, ist dies nur bei halb abgenutzten Radreifen möglich. Vor- und nachher entsteht zwischen Rad und Schiene ein Schlupf mit entsprechend hoher Abnutzung. Deswegen ist ein dauernd verkuppelter Antrieb nur für Strecken mit einem bescheidenen Anteil an Zahnstangenabschnitten geeignet. Außerdem muss die zulässige Radreifenabnutzung auf 2 % verringert werden. Mit einer Adhäsionskupplung lässt sich der Adhäsionsantrieb im Zahnradbetrieb abkuppeln, was bei modernen Triebfahrzeugen üblich ist. Auf der Zahnradstrecke wird der Triebradsatz abgekuppelt und läuft dann frei mit, wodurch der Schlupf eliminiert wird. Bei verkuppelten Antrieben wird auf den Zahnstangenabschnitten die Zugkraft sowohl über das Triebzahnrad und als auch mit Haftreibung über die Triebräder übertragen.

Bei einer Kombination von schnellen Adhäsionsstrecken und steilen Zahnradstrecken kann es notwendig werden, den Antrieb mit einem Schaltgetriebe auszuführen, um für beide Bereiche die geeigneten Fahrmotordrehzahlen zur Verfügung zu haben.

• Drehstrombetriebener HGe 2/2 der Jungfraubahn mit unterschiedlichen Übersetzungen für Adhäsion- und Zahnradantrieb (1906)

• Triebwagen BCFeh 4/4 der Martigny-Châtelard-Bahn für 750 V Gleichstrom mit Tatzlagerantrieb statt hoch­gelagerten Motoren (1906)

• HGe 4/4 der Brig-Visp-Zermatt-Bahn (BVZ) für 11 kV 16 ⅔ Hz Wechsel­strom mit vier Fahrmotoren und Tatzlagerantrieb (1929)

• ABDeh 4/4 der St. Gallen-Gais-Appenzell-Altstätten-Bahn mit zwei unter dem Wagenboden einge­bauten Fahrmotoren (1930)

• Schienenbusse der Reihe M1c der Mediterranea-Calabro-Lucane mit Zahnradantrieb von verschiedenen italienischen Herstellern vereinfach­ten den Bahnbetrieb. (1933)

• ABDeh 4/4 303 der Berner Oberland-Bahn mit selbsttragendem Wagen­kasten und zwei quer eingebauten Fahrmotoren pro Drehgestell (1949)^[34]

• Dieselhydraulische T 426.0 der Tschechoslowakischen Staatsbahnen für die Strecken Tanvald–Kořenov und Podbrezová–Tisovec, hergestellt von SGP in Wien-Floridsdorf (1961)

• BDeh 4/4 der Luzern-Stans-Engelberg-Bahn mit zwei Über­setzungen für die 246-‰-Zahnstange und 75 km/h Höchstgeschwindigkeit auf der Adhäsionsstrecke (1964)

• Der Doppeltriebwagen ABDeh 8/8 der BVZ hat dank der Einsparung zweier Personenwagen die Leistungsfähigkeit einer Lokomotive. (1965)^[31]

• Dieselelektrische Zahnradlokomotive BB 204 der Padangbahn der In­do­ne­sischen Staatsbahn mit vier Trieb­achsen und vier Triebzahnrädern für 200 Tonnen Last auf 70 ‰ (1982)^[10]

Getrennte Zahnrad- und Adhäsionsantriebe

Vom Jahr 1887 ist man dazu übergegangen, die Zahnstange auf verhältnismäßig kurzen Abschnitten mit nicht über 125 ‰ Steigung für die Überwindung steiler Talstufen schmalspuriger Adhäsionsbahnen anzuwenden. Von der Jahrhundertwende bis zum Ersten Weltkrieg verwirklichen in Deutschland die Länderbahnen im verstärkten Maße steile Streckenführungen als Zahnradbahnen, was zum Bau großer Zahnradlokomotiven führte.

Bei Dampflokomotiven wird der Adhäsionsantrieb grundsätzlich auf der ganzen Strecke verwendet. Das Zahnradtriebwerk wird auf der Berg- und Talfahrt auf den Zahnstangenabschnitten eingesetzt und nach dem Verlassen der Steilrampe wieder stillgelegt. Das hat zur Folge, dass Adhäsions- und Zahnradtriebwerk getrennt wurden.

Bei Schmalspurlokomotiven für Adhäsions- und Zahnstangenstrecken war es nicht immer leicht, die Triebwerke unterzubringen. Eine gute Lösung fand die SLM mit dem System Winterthur, das für Adhäsions- und Zahnradtriebwerk äußere Lage und doch getrennte Ausführung erlaubt. Das ermöglicht eine gute Zugänglichkeit und damit eine einfachere Wartung des Triebwerks. Bei zunehmender Radreifenabnutzung lässt sich die Tiefe des Zahneingriffs leicht nachstellen.
Die zwei untenliegenden Hochdruckzylinder treiben die Adhäsionstriebachsen an. Beim Adhäsionsbetrieb arbeiten die unteren Zylinder allein mit einfacher Dampfdehnung. Der Dampf entweicht anschließend direkt ins Blasrohr. Auf den Zahnstangenabschnitten arbeitet die Lokomotive in Verbundwirkung, indem der Dampf nach den unteren Adhäsions-Hochdruckzylinder in die oben liegenden Zahnrad-Niederdruckzylinder geleitet wird. Durchmesser und Kolbenhub der vier Zylinder sind gleich groß. Bedingt durch die Übersetzung des Vorgeleges arbeitet das Zahnradtriebwerk rund doppelt so schnell wie das Adhäsionstriebwerk, womit das richtige Volumenverhältnis zwischen den Hoch- und Niederdruckzylindern entsteht. Durch die Verbundwirkung wird der Dampf besser ausgenutzt und es resultiert ein geringer Kohleverbrauch. Es ergibt sich ein guter Ausgleich zwischen dem Zahnrad- und dem Adhäsionsantrieb, der das Schleudern des Adhäsionsantriebs vermindert. Die raschen, aber nicht zu starken Dampfschläge des Zahnradtriebwerks bewirken eine gute Dampfentwicklung. Die Ein- und Ausfahrt in einen Zahnstangenabschnitt ist sehr einfach, weil nur der Umschalthahn zwischen Hoch- und Niederdruckzylinder bedient werden muss.^[40] Beim Anfahren auf einem Zahnstangenabschnitt kann der Kesseldruck direkt auf die Niederdruckzylinder geleitet werden.
Das System Winterthur sicherte der SLM eine große Zahl von Aufträgen im In- und Ausland.^[41] Es kam bei vielen Dampflokomotiven mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb zum Einsatz und wurde auch von der Maschinenfabrik Esslingen verwendet.

• Die von Adolf Klose konstruierten HG 2/3 der Appenzeller Straßenbahn (ASt) war erste Vierzylinder-Verbund­zahn­radlokomotive der Welt. (1889)

• Die 38 IIIc5 der Bosnisch-Herzego­winischen Staatsbahnen waren die meistgebauten Zahnradlokomotiven der Welt. (Floridsdorf, 1894)^[42]

• Bei der HG 2/4 der kurvenreichen ASt wurde erstmals der Antrieb System Winterthur angewandt. (1904)

• Die 22 HG 3/3 mit Antrieb System Winterthur bewährten sich auf der Brünigstrecke und bei der Berner-Oberland-Bahn. (1905)

• Kitson-Meyer-Gelenklok der Trans­andenbahn von Kitson & Co in Leeds mit Außenrahmen, Hallschen Kurbeln, vier Triebachsen, zwei Trieb­zahn­rädern und Achsfolge D’(3zz) (1909)

• Sechsachsige KkStB 269 der Erz­berg­bahn mit innenliegenden Niederdruck­zylindern für die zwei Trieb­zahnräder, hergestellt in Floridsdorf (1912)

• D1’-Lokomotive der Padangbahn auf Sumatra, angetrieben mit System Winterthur und einem Triebzahnrad (1913)^[43]

• Lokomotive der Klasse X System Winterthur der Nilgiri Mountain Railway in Indien mit vier Kuppelachsen und zwei Triebzahnrädern (1913)^[44]

• Fünfachsige DR-Baureihe 97.5 für die Zahnradbahn Honau-Lichtenstein aus Esslingen, Antrieb System Winterthur mit einem Triebzahnrad (1922)

• Reihe 97.4 der Erzbergbahn, stärkste Zahnraddampflok der Welt mit innen­liegenden Zylindern für zwei Trieb­zahnräder von Floridsdorf (1942)^[45]

Bei der Elektrifizierung der Berner Oberland-Bahn im Jahr 1914 wurde das bewährte Konzept der vorhandenen Dampflokomotiven HG 3/3 mit getrenntem Adhäsions- und Zahnradantrieb übernommen. Auf diese Art unterstützt der Adhäsionsantrieb den Zahnradantrieb und entlastet die Zahnstange. Dies ist insbesondere bei Zahnradbahnen mit mäßigen Steigungen von 80 bis 120 ‰ vorteilhaft, wo ein großer Teil der Traktionskräfte ohne Zahnstange übertragen werden kann. Getrennte Antriebe, wie man sie bis in die 1940er Jahre erfolgreich realisiert hatte, blieben allerdings lange Zeit uninteressant, weil man einen Teil der früher teuren Antriebsmotoren auf den verhältnismäßig langen Adhäsionsstrecken nicht nutzen kann. Inzwischen hat sich das technische Umfeld geändert. Die teuren und unterhaltsaufwendigen Getriebe lassen sich durch leichte und kostengünstige separate Asynchronfahrmotoren ersetzen.^[46]

Beim getrennten Antrieb ist die richtige Drehzahl des Triebzahnrades vor der Einfahrt in die Zahnstange nicht gewährleistet. Deswegen ist im Triebfahrzeug eine Synchronisierungseinrichtung unumgänglich.

• CFeh 3/3 der Altstätten-Gais-Bahn mit zwei Motoren nur für Adhäsions­strecken und einem Motor nur für Zahnstangenstrecken (1911)

• Bei der HGe 3/3 der Berner Oberland-Bahn wirkt ein Motor auf die drei mit Stangen gekuppelten Achsen und ein zweiter auf das Triebzahnrad. (1914)

• Japanische ED42 (1937–1947) mit zwei Motoren für Adhäsions- und einem für Zahnradantrieb, Nachbau der von SLM und BBC gelieferten ED41 (1926)

• 85 Tonnen schwere Doppellokomotive E-100 der Chilenischen Trans­anden­bahn mit vier Motoren für Adhä­sions­antrieb und zwei für Zahnrad­antrieb (1927)

• Deh 4/6 der SBB für die Brünigbahn (Bo’2zz’Bo’) mit vier Ad­hä­sions­tatz­la­ger­mo­to­ren in den End­dre­hge­stel­len und zu­sätz­lich zwei im mitt­le­ren Zahn­rad­trieb­ge­stell (1941)

• Dreiteiliger ABeh 160 „Fink“ der Zentralbahn mit zwei Adhäsions- und zwei Zahn­rad­trieb­dreh­ge­stel­len. Die Zahn­rad­dreh­ges­tel­le haben je eine Antriebs- und eine Laufachse. (2012)

• Die weltweit stärkste Zahnrad­lokomotive He 4/4 der MRS Logística hat zwei Drehgestelle mit je zwei Motoren für Adhäsions- und Zahnradantrieb. (2012)^[11]

Differentialantrieb

Der Differentialantrieb für Zahnrad-/Adhäsionslokomotiven hoher Leistung verteilt die Zugkraft selbsttätig auf die Adhäsions- und die Zahnräder und entlastet so die Zahnstange. Dieser Antrieb eignet sich für Zahnradbahnen mit bis zu 125 ‰ Steigung.^[2] Das Fahrmotordrehmoment wird in einem als Planetengetriebe ausgebildeten Verteildifferential zwischen dem Adhäsions- und dem Zahnradantrieb aufgeteilt. Wenn die Adhäsionsräder bei schlechten Verhältnissen zu schleudern beginnen, greift die im Antrieb integrierte Schlupfbegrenzung korrigierend ein und der nicht mehr auf die Schienen übertragbare Zugkraftanteil wird stufenlos von den Triebzahnrädern übernommen.

Im Bremsbetrieb funktioniert die Einrichtung sinngemäß und der adhäsionsmäßige Überschuss der Bremskraft wird zu Zahnstange geleitet. Ein Blockieren der Adhäsionsräder wird im Zahnstangenbetrieb verunmöglicht.

Auf den zahnstangenlosen Abschnitten wird der Antrieb starr verkuppelt.^[47]

Der teure Differentialantrieb wird bei neuen Fahrzeugen nicht mehr verwendet, denn die elektrischen Komponenten haben sich im Verlaufe der Zeit stärker verbilligt als die mechanischen. Die Trennung von Adhäsions- und Zahnradantrieb erlaubt auf Zahnstangenabschnitten die gleichzeitige Nutzung der Fahrmotoren für beide Antriebe.^[48]

Sicherheit und Bremsen

Der Bau und Betrieb der Zahnrad- und anderen Eisenbahnen werden in der Schweiz durch die Eisenbahnverordnung^[49] und den Ausführungsbestimmungen dazu^[4] geregelt. Weil in anderen Ländern keine so detaillierte Regelungen für Zahnradbahnen bestehen, akzeptieren weltweit fast alle Eisenbahnen und Behörden die Schweizer Vorschriften als verbindlich.

Zulassung

Weil sich die Zulassungsbehörden außerhalb der Schweiz nur sehr selten mit Zahnradfahrzeugen beschäftigen müssen, war es über Jahrzehnte üblich, dass das schweizerische Bundesamt für Verkehr (BAV) die Neuzulassung des zahnradtechnischen Teils als Gutachten durchführte. Dieses wurde dann von der zuständigen Zulassungsbehörde anerkannt, wie das heute auch bei Adhäsionsfahrzeugen im Rahmen eines Cross-Acceptance-Verfahrens möglich ist. Weil das BAV keine Gutachten mehr erstellen darf, wurde für die 2016 abgelieferte Berglokomotive 19 der Bayerischen Zugspitzbahn beim BAV eine Schweizer Typenzulassung beantragt, die von einem unabhängigen Sachverständigen geprüft und dem deutschen Eisenbahn-Bundesamt vorgelegt wurde.^[50]

Bremsen

Die Bremsen spielen für die Sicherheit der Bergbahnen eine wesentliche Rolle. Beim Ausfall der Betriebsbremse muss der Zug mit einem der mechanischen Reserve-Systeme mit mindestens 0,3 m/s² zum Stillstand gebracht werden. Ein nur wenige Sekunden ungebremster Zug würde wegen des Hangabtriebs ungeheuer beschleunigt und könnte sehr schnell nicht mehr unter Kontrolle gehalten werden.^[8] Die kurze Reaktionszeit verunmöglicht die Verwendung von Steuerventilen nach UIC-Norm.^[2]

Wenn das Gefälle 125 ‰ übersteigt, müssen Zahnradtriebfahrzeuge mit mindestens einer Beharrungsbremse und zwei voneinander unabhängigen Anhaltebremsen ausgerüstet sein. Bei Triebfahrzeugen mit Drehgestellen sind die beiden unabhängigen Anhaltebremsen als Getriebebremse oder Bremse auf der Motorwelle und als Zahnradbremse ausgebildet (vgl. Abbildungen im Abschnitt Elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge), wobei eine stufenlos regulierbar sein muss.^[14] Die andere dient als „Notbremse“ und muss den Zug zum Stillstand bringen, ohne dass die Bremsen allenfalls angehängter Wagen mitarbeiten. Die Pufferkräfte an der Zugspitze dürfen jedoch nicht zu groß werden, um eine Entgleisung zu vermeiden.^[51] Zur Vermeidung übermäßiger Bremskräfte muss ein Ansprechen beider Bremssysteme unbedingt vermieden werden.^[14] Fahrzeuge für gemischten Adhäsions- und Zahnradverkehr sind zusätzlich noch mit einer Adhäsionsbremse ausgerüstet. Bei Neigungen von höchstens 125 ‰ kann als regulierbare Anhaltebremse die automatische Bremse des ganzes Zuges verwendet werden^[51] oder die nicht regulierbare Anhaltebremse durch die Widerstandsbremse unterstützt werden.^[52]

Als Beharrungsbremse zählen Rekuperationsbremse, Motorbremsen, hydraulische Bremsen und Gegendruckbremse. Eine fahrdrahtunabhängige Widerstandsbremse erlaubt bei Stromausfällen eine Räumung der Strecke.^[2] Die mechanische Bremse kann im Normalfall nicht als Beharrungsbremse ausgelegt werden, weil die in Wärme umzusetzende potentielle Energie des Zuges die Bremsen thermisch überlasten würde.^[53] Die Beharrungsbremsen müssen auch bei Ausfall der Stromversorgung oder des Dieselmotors funktionieren. Jede Anhaltebremse muss alleine in der Lage sein, den Zug auf dem größten Gefälle bei maximalem Zugsgewicht zum Stillstand zu bringen. Die Bremskräfte sind ein wichtiger Faktor der Sicherheit gegen Entgleisen. Als Anhaltebremsen kommen bei neuen Fahrzeugen unerschöpfliche Federspeicher-Bandbremsen zum Einsatz.

Bei einseitig geneigten Strecken wird oft eine Anhaltebremse als richtungsabhängige Klinkenbremse gebaut. Sie bremst nur bei Talfahrt. Bei der Bergfahrt ist die angezogene Klinkenbremse durch einen Klinkenmechanismus freilaufend und verhindert Rückwärtsrollen des Zuges. Bei der Talfahrt kann die gelöste Klinkenbremse jederzeit als normale Bremse benutzt werden.

Dass die Zahnstange für das Bremsen mindestens so wichtig ist wie für die Bergfahrt, zeigte sich 1995 und 2005^[54], als eine Adhäsionslokomotive Ge 4/4 III der Rhätischen Bahn den 110 ‰ steilen Oberalppass mit eigener Kraft erklomm. Zur Sicherheit wurde eine hintenangestellte Zahnradlokomotive zum Bremsen mitgegeben.^[55] Triebfahrzeuge für Adhäsionsstrecken mit mehr als 60 ‰ Gefälle sind mit Magnetschienenbremsen oder Wirbelstromschienenbremsen ausgestattet.^[56]

Die Zahnradbremsen der Eisenbahnwagen sind im Abschnitt Eingriff der Zahnräder in die Zahnstange beschrieben.

Selbsterregte Beharrungsbremse für Umrichterfahrzeuge

Zunächst zögerte man, Zahnradfahrzeuge mit Drehstrom-Umrichterantrieb zu bauen. Beim Ausfall eines Stromrichters oder dessen Leitelektronik hätte der Zug mit mechanischen Bremsen im Gefälle angehalten und ein Reservetriebfahrzeug angefordert werden müssen. Wegen unzulässiger langer Streckenbelegung und Trassen­führung in oft unbewohnten und schwer zugänglichen Gebieten ging man dieses Risiko nicht ein.^[53]

Die Lösung besteht darin, im Störfall die Fahrmotoren vom Stromrichter abzutrennen und jede Phase der Drehstrom-Asynchronmotoren mit einem RC-Kreis zu verbinden. Die drei RC-Kreise bestehen aus den ohnehin vorhandenen Bremswiderständen und den Eingangsfilter-Kondensatoren des Stromrichters. Sobald sich die Motoren drehen, erregen sie sich selbst und erzeugen eine Bremskraft. Diese elektrische Bremse kann nicht reguliert werden. Ihre Geschwindigkeit stabilisiert sich auf Werte je nach Gefälle und Zuggewicht. Zum Anhalten wird die mechanische Bremse eingesetzt.^[57] Die Schaltung ist so auszulegen, dass der Zug etwas langsamer als im Normalbetrieb talwärts fährt. Diese Selbsterregungsschaltung, die auch in Kleinstkraftwerken eingesetzt wird, wurde in Messfahrten mit der JB He 2/2 10 der Jungfraubahn im Jahr 1992 erprobt^[53] und 1995 bei den He 2/2 31 und 32 der Wengernalpbahn erstmals angewandt.

Entgleisungssicherheit

Im Zahnradbetrieb kann das Fahrzeug einzig über den Zahneingriff in die Zahnstange gebremst werden. Der Zahneingriff muss darum unter allen möglichen Bedingungen wie starken Querwinden, unterschiedliche Reibungskoeffizienten, Notbremsung oder Ausfall der Bremse in einem Zugteil gewährleistet sein. Die bei einer Bremsung während der Talfahrt auftretenden Kräfte belasten die vorderen und entlasten die hinteren Radsätze. Zusammen mit dem Zahnauftrieb kann die Entlastung des hinteren Radsatzes bei starker Bremsung die Gewichtskraft übersteigen und das Fahrzeug aus den Schienen heben. Weil diese gefährliche Situation verhindert werden muss, dürfen die Bremsen nicht zu stark sein.^[58]

Bei Zahnstangen mit vertikalem Zahneingriff entsteht bei schlechter Schmierung eine senkrecht zur Schienenebene gerichtete Kraft, der Zahnauftrieb. Er hat die Tendenz, das Fahrzeug von den Schienen abzuheben und darf keinesfalls die Gewichtskraft des Fahrzeuges überwinden. Damit die Gefahr einer Entgleisung nicht zu groß wird, muss die Zahnstange gut geschmiert werden.

Bei geschobenen und gezogenen Zügen ist die Länge der Züge beschränkt. Die Last des Zuges übt auf der Höhe der Kupplung eine Kraft auf das Triebfahrzeug auf. Diese Längskraft und die Höhendifferenz zwischen Kupplung und Zahnstange bewirken ein Drehmoment auf das Triebfahrzeug, das dieses zusätzlich zum Zahnauftrieb bergseitig entlastet und die Entgleisungssicherheit beeinträchtigen kann. In engen Kurven verschärft sich diese Gefahr durch Seitenkräfte zusätzlich.^[8] In diesen Situationen ist die Zugsbildung mit halbautomatischen oder automatischen Zug-/Druckkupplungen vom Typ +GF+ oder Schwab vorteilhafter als die von der Matterhorn-Gotthard-Bahn verwendeten Mittelpuffer mit zwei Schraubenkupplungen.^[59]

Bei Bürstenfeuer am Fahrmotorkollektor oder bei Kurzschlüssen können übermäßige Kräfte entstehen, die die Stabilität des Triebfahrzeuges gefährden. Zur Verhinderung werden zwischen den Fahrmotoren und den Triebzahnrädern Rutschkupplungen eingebaut. Beim Antrieb über einen Drehstrommotor ist diese Einrichtung nicht nötig, weil dessen maximales Drehmoment bekannt ist.

Der Nachweis der Entgleisungssicherheit wird heute mit einer Computerberechnung erbracht,^[31] wobei in der Regel mit einem Sicherheitsfaktor von 1,2 gerechnet wird.^[47]

Überwachungen

Weil bei einer Überbeanspruchung der mechanischen Anhaltebremsen wegen der Erwärmung die Gefahr des Bremsversagens besteht, ist die Überwachung der Fahrgeschwindigkeit während der Talfahrt besonders wichtig. Bereits bei kleiner Überschreitung wird eine mechanische Bremse betätigt und der Zug angehalten. Auch andere für die Funktion der Bremsen wichtige Zustände werden überwacht. Eine Überbremsung durch gleichzeitige Betätigung beider mechanischen Anhaltebremsen muss verhindert werden. Bahnen mit kombiniertem Zahnrad- und Adhäsionsbetrieb sind mit einer Betriebsartenüberwachung ausgestattet. Gleismagnete oder Eurobalisen überwachen bei den Zahnstangenein- und -ausfahrten, ob der Lokomotivführer den Regimewechsel Adhäsion/Zahnrad oder umgekehrt auf dem Führertisch richtig umgestellt hat. Mit der Betriebsartenumschaltung werden auf dem Triebfahrzeug umfangreiche, zum Teil sicherheitsrelevante Funktionsänderungen vorgenommen.^[51]

Die Sicherheitssteuerung, die Übergeschwindigkeitskontrolle, die Betriebsartenüberwachung oder andere technische Überwachungen können automatisch eine Schnellbremsung auslösen.

Sicherungs- und Signalanlagen

Die Sicherungs- und Signalanlagen reiner Zahnradbahnen sind den örtlichen Verhältnissen angepasst und weichen von denen der Hauptbahnen oft ab. Sie sind abhängig von den zulässigen Geschwindigkeiten, der Zugdichte und den Kreuzungsstellen auf eingleisigen Strecken. Folgefahrten mehrerer Züge auf Sicht sind häufig zugelassen (vgl. Abbildung rechts im Abschnitt Vor- und Nachteile).^[2] Weil Zahnstangenweichen nicht auffahrbar sind, ist eine eindeutige Signalisierung gegen Fahrt in falschstehende Weichen sinnvoll.^[60] Der Streckenblock dient meist nur als Gegenfahrschutz. Die Gleisfreimeldung erfolgt über Achszähler^[2], denn Gleisstromkreise wären unzuverlässig wegen der sehr kleinen Achslasten der leicht gebauten Fahrzeuge und des Fehlens der Zugkraftübertragung über die Schienen. Diese neigen deshalb zur Verschmutzung durch Schmiermittelrückstände, Blütenstaub und Falllaub. Die in der Schweiz viele Jahre herrschende Skepsis gegenüber Gleisfreimelde-Einrichtungen mit Achszählern mag den lange ausgeübten Verzicht auf Sicherungsanlagen bei einigen Zahnradbahnen unterstützt haben.^[60] Allerdings ist bei Zahnradbahnen das Kollisionsrisiko geringer als bei normalspurigen Adhäsionsbahnen. Die niedrigen Geschwindigkeiten führen zu kürzeren Bremswegen und bei den oft übersichtlichen Gleisanlagen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Fehlhandlung die Züge noch vor einem Zusammenstoß anhalten können. Der Betrieb ist überschaubarer, wegen des Zugfunks mit offenem statt selektivem Sprachanruf ist das Bahnpersonal über alle Betriebsabweichungen informiert.^[61]

Der Folgezugbetrieb mit Fahrt auf Sicht reiner Zahnradbahnen führt zu Anpassungen bei den Signalanlagen. Weil bei der Wengernalpbahn die Signale nur die Fahrerlaubnis, nicht aber die zulässige Geschwindigkeit vorgeben, werden alle Fahrstraßen mit Fahrbegriff 1 angezeigt. Die Folgefahrten werden angelehnt an das Besetztsignal mit einem waagrechten, orangen Balken signalisiert, der im Hauptsignal integriert ist.^[60]

Bei der Ausfahrt aus der Station erfasst ein Achszähler die Gesamtzahl der Achsen aller Folgezüge. Dabei wird dem Folgezug am Ausfahrsignal das Signalbild für eine Folgefahrt gezeigt. An der nächsten Station zählt wiederum ein Achszähler die eintreffenden Achsen. Erst wenn die Gesamtzahl der Achsen eingetroffen ist, wird die Strecke für Züge der Gegenrichtung freigegeben. Dadurch entfällt die Signalisierung von Folgezügen an den Zügen selbst.^[60]

Mit der Zugbeeinflussung ZSI 127 besteht seit dem Jahr 2003 ein System, das die Sicherheitsbedürfnisse gemischter Adhäsions- und Zahnradbahnen abdeckt. Im Zugsicherungssystem ZSI 127 ist die Betriebsartenüberwachung Adhäsion/Zahnstange integriert und die Geschwindigkeitsüberwachung erfolgt mit einer Genauigkeit von ±1 km/h. ZSI 127 ist mit ETCS-Komponenten aufgebaut, insbesondere mit Eurobalisen, Euroloops und ETCS-Fahrzeuggeräten. Auf ein Bediengerät im Führerstand nach ETCS-Norm (Driver Machine Interface) musste verzichtet werden, weil der Platz in den engen Schmalspurfahrzeugen nicht ausreicht. Wegen des Zahnradbetriebs sind die Balisen außermittig angeordnet. ZSI 127 kommt bei der Zentralbahn und bei der Berner Oberland-Bahn zum Einsatz.^[62] 2013 legte das Bundesamt für Verkehr eine Weiterentwicklung des Systems ZSI 127 als Standard für alle Schweizer Schmalspurbahnen, auch für solche mit reinem Adhäsionsantrieb, fest.^[63][64]

Zahnstangen und -räder

Die Zahnstange wird immer in der Gleismitte angeordnet und mittels Winkelstücken auf den Bahnschwellen befestigt. Mit Ausnahme des Systems Locher erfolgt der Zahneingriff vertikal. Zahnstangen sind sehr dauerhaft. Auf vielen Streckenabschnitten sind trotz des hohen Alters immer noch die ursprünglichen Zahnstangen im Einsatz. Auf neueren Zahnradstrecken werden einlamellige Zahnstangen des Typs Von Roll verwendet.

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich Zahnradbahnen in der Höhe der Zahnstange. Es gibt Bahnen mit Teil- oder Kopfkreis auf Höhe der Schienenoberkante und solche mit Kopfkreis über der Schienenoberkante. Im ersten Fall ragen die Zahnräder unter die Schienenoberkante, was den Bau von Weichen erschwert. Dagegen sind niveaugleiche Straßenkreuzungen unproblematisch, da die entstehenden Spalten nicht breiter als bei Schienenrillen sind und keine Höhendifferenzen im Straßenplanum auftreten. Im zweiten Fall sind bei Bahnübergängen entweder aufwendige technische Lösungen zur Versenkung der Zahnstange notwendig oder es entsteht eine Querwelle für den Straßenverkehr.

Nicht nur Zahnradtriebfahrzeuge sind komplex, auch der Bau und Unterhalt eines Zahnstangengleises stellt höhere Anforderung als einer Adhäsionsbahn.^[1] Eines der größten Probleme des Zahnradbetriebs sind die unvermeidlichen Unterbrüche in der Zahnstange, sei es durch Weichen oder den Übergang von Adhäsions- auf Zahnradstrecken. Zahnstangenstöße können heute dank modernem schwerem Gleis und gutem Schotterbett oft verschweißt werden. Abt-Zahnstangen mit den nebeneinanderliegenden Zahnstangenlamellen haben in den Kurven nicht die gleiche Länge. Zum Längenausgleich waren bisher Stoßfugen mit den damit verbundenen Teilungsfehlern nötig. Heute wird in Kurven eine der beiden Zahnstangenlamellen mit veränderter Teilung ausgeführt.^[18]

Runde Zahnköpfe erleichtern das Einfahren in die Zahnstange und verhindern das Aufklettern bei Teilungsfehlern, wie die Erfahrungen der Rigibahn schon sehr früh zeigten.^[65]

Eingriff der Zahnräder in die Zahnstange

Damit der Eingriff der Zahnräder in die Zahnstange jederzeit gewährleistet ist, hat die Montage der Zahnstange sehr präzise zu erfolgen. Die Toleranz für die Höhenlage der Zahnstange beträgt +2 mm, die Montagetoleranz der Zahnstangenstöße ±1 mm.^[66] Die höchste Lage der Trieb- und Bremszahnräder ergibt sich bei neuen Tragrädern. Bei tiefster Lage durch größte Radabnützung und allenfalls volles Federspiel dürfen kein Verklemmen in der Zahnstange und keine Berührung zwischen Zahnkopf und Zahngrund auftreten. Zur Erfüllung dieser Bedingungen sind Zahnräder, wenn sie am Federspiel teilnehmen, zum Ausgleich der Radabnützung in der Höhe verstellbar.^[67]

Angetriebene und nicht angetriebene Räder nutzen sich während des Betriebs ab, wodurch sie im Durchmesser kleiner werden. Bei gemischten Adhäsions- und Zahnradbahnen ist die Abnutzung wegen der großen Laufleistungen die Räder relativ groß. Trieb- und Bremszahnräder hingegen verschleißen zwar an ihren Zahnflanken, aber der für den Eingriff maßgebliche Teilkreisdurchmesser ändert sich nicht. Bei Adhäsions- und Zahnradantrieb auf der gleichen Radsatzwelle reduziert sich der vom Radsatz bei einer Umdrehung zurückgelegte Weg, während der vom Triebzahnrad zurückgelegte Weg gleich bleibt. Weil bei Drehgestelltriebfahrzeugen oder neueren Rahmenlokomotiven^[57][68] die Trieb- und Bremszahnräder fest auf der Triebachse aufgepresst und die Räder lose auf der Achse oder auf einer Hohlwelle gelagert sind,^[69] ist nur eine geringe Radreifenabnutzung zulässig (siehe auch Abschnitte Elektrische und dieselelektrische Triebfahrzeuge und Elektrische und dieselbetriebene Triebfahrzeuge).

Bei den mit getrennten Antrieben ausgestatteten ABeh 150 und ABeh 160/161 der Zentralbahn ist die Einschränkung der geringen Radreifenabnutzung hinfällig geworden. Bei den in den Jahren 2012 und 2016 abgelieferten Gelenktriebwagen kommt ein neu entwickelter Zahnradantrieb mit exzentrischer Höhenverstellung zum Einsatz, der konstruktiv einem üblichen Zahnradantrieb mit Tatzlagerung entspricht, wie er von reinen Zahnradbahnen bekannt ist. Die Trieb- beziehungsweise Bremszahnräder stützen sich nicht direkt auf der Radsatzwelle ab, sondern auf einer zusätzlich eingefügten Hohlwelle, die mit der Radsatzwelle über Exzenterscheiben verbunden sind. Durch Drehen an den Exzenterscheiben lässt sich der Zahneingriff auf einfache Weise dem Radverschleiß entsprechend in sieben Stufen von je 5 mm anpassen,^[46] wodurch ein Radverschleiß von 35 statt 12 mm möglich ist.^[70]

Bei Dampflokomotiven mit dem Antriebssystem Winterthur sind der Adhäsions- und der Zahnradantrieb im gemeinsamen Rahmen gelagert. Das erlaubt, bei abnehmender Radreifendicke die Tiefe des Zahneingriffs durch Anziehen der Tragfedern nachzustellen.^[71]

Eisenbahnwagen verfügen in der Regel für den Einsatz in gezogenen Zügen auf Zahnradstrecken jeweils über ein Bremszahnrad, das in einem der Drehgestelle eingebaut ist. Dem Radverschleiß entsprechend wird die Höhe des Bremszahnrads eingestellt, wobei das Federspiel der Primärfederung des Drehgestells zu berücksichtigen ist.^[72] Wagen von gemischten Adhäsions- und Zahnradbahnen können mit einer Adhäsions- und einer verzögert wirkenden Zahnradbremse, einer sogenannten Nachbremse, ausgerüstet sein.^[73] Bei den auf der 246 ‰ steilen Zahnstangenstrecke nach Engelberg verkehrenden Wagen waren beide Drehgestelle mit einem Bremszahnrad ausgestattet, nachdem sich die Bremsen der 1964 beschafften sehr leichten Personenwagen mit nur einem Bremszahnrad nicht bewährten.^[3] Wagen, die auf die 120 ‰ steile Brünigbahn übergangsfähig waren, wurden zur Vermeidung von Überbremsungen auf der Brünigstrecke mit einer Umstellvorrichtung ausgerüstet.^[74]

Zahnstangeneinfahrt

Bei der Einfahrt in die Zahnstange müssen die Trieb- und Bremszahnräder in die passende Position verschoben werden, um das Auflaufen der Radzähne auf einen Stangenzahn zu verhindern. Besonders anspruchsvoll ist die Synchronisation bei elektrischen Triebfahrzeugen, bei denen während der Einfahrt die Triebzahnräder mit den Adhäsionsantrieben verkuppelt sind. Die Adhäsionsräder müssen dazu auf den Schienen verrutscht werden. Die Einfahrt von einer Adhäsionsstrecke auf die Zahnstange ist bis zu einer Geschwindigkeit von 10 km/h möglich. Bei der Ausfahrt aus dem Zahnstangen- in einen Adhäsionsabschnitt muss die Geschwindigkeit nicht reduziert werden.

Weit verbreitet sind zwei gefederte Systeme von Zahnstangeneinfahrten:

System Abt

Bis vor wenigen Jahren wurden die Zahnstangeneinfahrten noch nach den ursprünglichen Plänen Roman Abts ausgeführt und sind bei Bahnen mit Zahnstangensystem Abt, Riggenbach^[75] und Strub^[76] zu finden. Sie bestehen aus einem vor der festen Zahnstange eingebauten einseitig oder früher gar beidseitig gefederten Zahnstangenstück. Die Synchronisation erfolgt mechanisch über eine gefederte Zahnstangenlamelle mit progressiver Teilung und reduzierter Zahnhöhe. Falls es trotzdem zu einem Aufsteigen in der Einfahrt kommen sollte, halten zwei Radlenker die Räder in der Spur.

• Zahnstangeneinfahrt System Abt ohne Radlenker der Bosnisch-Herzegowi­nischen Staatsbahnen (BHStB) mit Abt-Zahnstange im Eisen­bahn­museum Ljubljana

• Die Abnutzung der Zähne entstand durch die Bremszahnräder, die bei der Einfahrt aufprallten und auf die Ein­fahrdrehzahl beschleunigt wurden.
  (BHStB, Ljubljana)

• Zahnstangeneinfahrt System Abt mit einlamelliger Zahnstange und Rad­lenkern auf der Bahnstrecke Alt­stätten–Gais mit Strub-Zahnstange der Appenzeller Bahnen (AB)

• Ungleich abgenutzte Zähne der Zahnstangeneinfahrt bei der Halte­stelle Stoss der AB zwischen Alt­stätten und Gais

System Marfurt

Moderne Zahnstangeneinfahrten System Marfurt, auch als System Brünig^[17] bezeichnet, bestehen aus einem Beschleunigungselement, einer Synchronisierungslamelle und einem gefederten Einfahrelement. Bei der Einfahrt in die Zahnstange werden im Beschleunigungselement zuerst die Bremszahnräder mittels eines mit Gummiprofil belegten Balkens in Drehung versetzt. Mit der Synchronisierlamelle werden dann die Bremszahnräder synchronisiert. Anschließend zwingt die Einfahrlamelle die Triebzahnräder in die korrekte Position für die Einfahrt in die feste Zahnstange.^[18] Das mit hydraulischer Dämpfung ausgestattete Einfahrelement besteht aus einer Hebelmechanik, die das Einfahrelement dem Zahnrad entgegen bewegt, wenn ein auflaufendes Zahnrad es nach unten drückt. Das System Marfurt erlaubt eine sanftere Einfahrt^[17] mit höherer Geschwindigkeit und dank der nahezu vollständigen Vermeidung von Einfahrgeräuschen eine deutliche Lärmreduktion. Der Abnutzung ist geringer^[77], die Verschleißteile sind definiert und leicht zu wechseln.

In Versuchen auf der Brünigbahn wurde nachgewiesen, dass mit getrennten Antrieben mit höheren Geschwindigkeiten bis 30 km/h in die Zahnstange eingefahren werden kann. Dies wird jedoch Anpassungen an den heutigen Zahnstangeneinfahrten erfordern.^[46] Um die Zahnräder in den Drehgestellen und die Zahnstange zu schonen, wird für solche Fälle eine Einfahrgeschwindigkeit von höchstens 20 km/h empfohlen.^[70]

Beschilderung

Zahnstangenabschnitt werden in der Schweiz an der Strecke wie folgt signalisiert:^[78]

Gleisverbindungen

Schiebebühnen und Drehscheiben

Die älteste Zahnradbergbahn am Mount Washington verwendete ursprünglich wegen des unter der Schienenoberkante liegenden Kopfkreises der Zahnräder keine Weichen. Bei der Arth-Rigi-Bahn kamen in der Gründerzeit nachweislich Schleppweichen mit gebogenen Gleisabschnitten und Schiebebühnen anstelle von Zungenweichen zum Einsatz.^[79]

Schiebebühnen oder Drehscheiben werden für spezielle Anwendungen in Bahnhof- und Depot­gebieten verwendet.

Zungenweichen

Zahnstangenweichen sind mit beweglichen Zahnstangenelementen ausgerüstet, damit die Zahnstangen des einen Strangs die Schienen des andern Strangs kreuzen können. Weil damit ein ununterbrochener Zahnradeingriff gewährleistet ist, können sie auch auf geneigten Strecken eingebaut werden. Bei Bahnen mit gemischtem Antrieb befinden sich die Weichen oft auf den Adhäsionsabschnitten, weil Zahnstangenweichen aufwendiger und teurer als gewöhnliche Weichen sind. Andererseits muss bei Kreuzungsbahnhöfen mit durchgehenden Zahnstangen wie in Tschamut-Selva auf der Oberalpstrecke die Geschwindigkeit nicht reduziert werden, weil keine Zahnstangeneinfahrt nötig ist.

Der Vorteil von Zungenweichen mit Zahnstange gegenüber klassischen Schleppweichen mit verschiebbarem Gleisrost sind die nur geringen temperaturbedingten Längenänderungen der kurzen beweglichen Zahnstangenteile. Nennenswerte Teilungsfehler können durch Temperaturänderungen nicht auftreten.

1875 baute Riggenbach die erste Zahnstangenweiche auf der Rorschach-Heiden-Bergbahn in Wienacht ein, um eine Zufahrt zum dortigen Sandsteinbruch zu ermöglichen.^[80] Innerhalb der Weiche befindet sich statt der Riggenbach-Leiterzahnstange eine einlamellige Zahnstange. Diese Zungenweiche entspricht der für einlamellige Zahnstangenstrecken noch heute verwendeten Bauart,^[18] die auch bei Bahnen mit Rickenbach-Zahnstange mehrheitlich eingesetzt wird.

Bei den Weichen der 1893 eröffneten Wengernalpbahn und Schynige-Platte-Bahn mit 800 mm Spurweite und Riggenbach-Zahnstange war die Zahnstange auf einer Länge von 90 cm unterbrochen. Zur Gewährleistung eines unterbruchfreien Eingriffs benötigten die Lokomotiven zwei Triebzahnräder.^[21] Heute setzen die beiden Bahnen Weichen mit beweglichen Lamellen ein.

Bereits seit 1890 verwendet die Monte-Generoso-Bahn Zahnstangenweichen des Systems Abt.^[79] Deren Konstruktion ist dank der zweilamelligen Zahnstange einfacher, weil innerhalb der Weiche abschnittweise nur eine der beiden Zahnstangenlamellen benutzt wird (siehe Bild im Abschnitt Lamellenzahnstangen). Eine solche Weiche kann aber nur in geringen Steigungen verwendet werden, wo nicht die volle Zugkraft auf die Zahnstange wirkt. Die bei neueren Triebfahrzeugen weicheren Tangentialfedern der Triebzahnräder führen nach einlamelligen Abschnitten zu starkem Verschleiß beim Wiedereingriff in die zweite Lamelle, da der belastete Zahnkranz gegenüber dem unbelasteten verdreht wird. Traditionelle Zahnstangenweichen des Systems Abt sollte deshalb nicht mehr angewendet werden.^[18]

Die Berner Oberland-Bahnen rüsteten ihre neuen Zahnstangenweichen mit drei Einzelantrieben aus, um das im Winter störanfällige Gestänge zu vermeiden.^[2]

Zahnstangenweichen mit tiefliegenden Zahnstangen oder mit unterbrochenen Zwischenschienen sowie jede Form von Schleppweichen sind nicht auffahrbar. Weil ein Auffahrvorgang immer zur Entgleisung mit insbesondere in starken Neigungen schwerwiegenden Folgen führt, müssen Auffahrvorgänge unbedingt vermieden werden. Beim System Abt und bei hochliegenden Riggenbach-Zahnstangen mit nicht unterbrochenen Zwischenschienen wurden auffahrbare Weichen, die sich schon beim Befahren des Herzstückes auf rein mechanischem Weg in die erforderliche Lage umstellen, realisiert (siehe Bild weiter oben). Eingebaut wurden sie beispielsweise bei der Rochers-de-Naye- und der Schynige-Platte-Bahn.

Federweichen

Seit 1999 setzen die Rigi-Bahnen^[81] und seit 2004 die Dolderbahn^[82] neu entwickelte Federweichen ein, in welchen das Gleis von der einen Endlage in die andere entlang einer definierten Kurve gebogen wird. Zur Kompensation der temperaturbedingten Längenänderungen über die gesamte Weichenlänge ist die Federweiche so konstruiert, dass die Längendehnungen der Zahnstange und des darunter liegenden Rahmens in entgegengesetzter Richtung wirken. Damit heben sich die beiden Längendehnungen gegenseitig auf, der Zahnabstand an der Stoßstelle bleibt innerhalb der Toleranz und Zahnteilungsfehler werden vermieden.

Die einfache Konstruktion der Federweiche hat – im Gegensatz zur konstruktiv von der Adhäsionsweiche abgeleiteten üblichen Zahnstangenweiche – weniger bewegliche Teile mit entsprechend weniger Verschleiß und benötigt keine Weichenheizung. Die Anwendung wäre auch bei Adhäsionsbahnen möglich, z B. als Doppel- oder Kreuzungsweiche.^[81]

Wagenkasten

Die Technik der Bergbahnen ist bestimmt durch die Gewichtsoptimierung. Die Wagenkasten sind bei reinen Zahnradbahnen vorwiegend in Stahlbauweise ausgeführt, denn die verschiedenen Bedingungen wie z. B. unterschiedliche Fahrzeugumgrenzungen erlauben nur den Bau geringer Stückzahlen. Bei Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradbetrieb werden die Reisezugwagen aus Gewichtsgründen oft in Aluminiumbauweise, die Triebfahrzeuge wegen der schweren Antriebausrüstung vorwiegend als Stahlkonstruktionen erstellt.^[2]

Betrieb

Der Betrieb von Bahnen mit gemischtem Adhäsions- und Zahnradantrieb unterscheidet sich nicht grundsätzlich von reinen Adhäsionsbahnen. Allerdings sind die Vorschriften zur Zugbildung zu beachten, um die Entgleisungssicherheit zu gewährleisten.

Eine Besonderheiten vieler reiner Zahnradbahn sind Folgezugbetrieb mit Fahrt auf Sicht sowie gleichzeitige Einfahrten in einen Bahnhof. Bei Zahnradbahnen mit starkem Verkehr wurde es notwendig, Einspurstrecken mittels Streckenblock zu sichern. Gleichzeitig musste der Folgezugbetrieb aufrechterhalten bleiben, weil Zahnradbahnzüge zur Gewährleistung der Entgleisungssicherheit nur eingeschränkt gekuppelt werden dürfen. Die Sicherungsanlagen solcher Bahnen sind so konzipiert, dass in einer Richtung mehrere Züge freie Fahrt erhalten können.

Grundlage für die Sicherheit der Zahnradbahnen sind ein guter Unterhalt von Anlagen und Fahrzeugen sowie die Einhaltung der ausgereiften technischen und betrieblichen Vorschriften.

Betriebsergebnisse

Gemischte Zahnradbahnen

Anhand der gut dokumentierten Schweizer Bergbahnen wird die Entwicklung der Betriebsergebnisse aufgezeigt. Die Visp-Zermatt- und die Berner Oberland-Bahn waren ausgesprochen touristische Bahnen und schütteten bis 1913 respektable Dividenden aus, die in den besten Jahren 7 bis 8 Prozent erreichten. Auch die Brünigbahn Luzern–Interlaken, die Stansstad-Engelberg-Bahn und die Aigle-Leysin-Bahn erschlossen Touristendestinationen und waren rentabel. Die anderen gemischten Zahnradbahn der Schweiz hatten hingegen bereits vor dem Ersten Weltkrieg zeitweise oder dauernd finanzielle Probleme. Die Bex-Villars-Bretaye- und die 1967 eingestellte Leuk-Leukerbad-Bahn waren auf die Zuschüsse ihrer bahneigenen Elektrizitätswerke angewiesen.^[83]

Ab 1914 verdüsterte sich die Finanzlage aller Bahnen rapide. Der Betrieb wurde defizitär und erholte sich auch in den 1920er-Jahren nicht. Die Bilanz vieler Bahnen musste saniert werden, wobei namhafte Teile des Aktienkapitals abgeschrieben wurde. Die 1915 in Betrieb genommene Brig-Furka-Disentis-Bahn war stets in finanzieller Schieflage und geriet 1924 in Konkurs. Ihrer Nachfolgerin, der Furka-Oberalp-Bahn, wurde auch militärische Bedeutung beigemessen. Aber finanziell sah es auch nach der Sanierung von 1925 nie gut mit ihr aus.^[83]

Nach dem Zweiten Weltkrieg fusionierten die St. Gallen-Gais-Appenzell-Bahn mit der Altstätten-Gais-Bahn. Auch die Monthey-Champéry-Morgins-Bahn und 1961 die Schöllenenbahn schlossen sich mit benachbarten Unternehmungen zusammen und profitierten von den im Privatbahnhilfegesetz festgelegten Unterstützungen des Bundes. In Deutschland wurden die St. Andreasberger Kleinbahn und die Zahnradbahn Honau–Lichtenstein stillgelegt. Baulich saniert wurden im Jahr 1964 die Stansstad-Engelberg-Bahn mit dem Loppertunnel, 1982 die Furka-Oberalp-Bahn mit dem Furka-Basistunnel und 2010 die Luzern-Stans-Engelberg-Bahn mit dem Tunnel Engelberg. In Österreich übernahmen 1979 die Anliegergemeinden die Achenseebahn und sanierten die Flachstrecke mit Hilfe von Bund und Land.

Heute sind in der Schweiz die gemischten Zahnradbahnen wie die anderen Bahnen des regionalen Personenverkehrs auf Abgeltungen angewiesen. Lediglich die zu den autofreien Touristenorten Zermatt und Wengen führenden Bahnen BVZ und WAB würden auch ohne Zuschüsse Gewinne erwirtschaften.^[84] In Deutschland ist die Wendelsteinbahn auf Ausgleichszahlungen angewiesen. Die dem Gemeindewerk Garmisch-Partenkirchen angegliederte Bayerische Zugspitzbahn erwirtschaftet dank der touristisch geprägten Bergstrecke kleinere Gewinne.^[85] Durch Fusionen können Synergien genutzt und Kosten gespart werden. Seit 1999 verkehren vier Westschweizer Meterspurbahnen unter dem Dach der Transports Publics du Chablais. Die 2003 entstandene Matterhorn-Gotthard-Bahn verkehrt auf einem Streckennetz von 144 km, die 2005 gebildete Zentralbahn hat 98 km Länge. Die seit dem Jahr 2006 bestehenden Appenzeller Bahnen betreiben Zahnradbahnen mit drei unterschiedlichen Spurweiten.

Reine Zahnradbahnen

Die Baukosten der von 1871 bis 1912 erstellten reinen Zahnradbahnen wurden zwar meist zu niedrig angesetzt, aber die Frequenzzahlen übertrafen die Erwartungen. Bis zur Jahrhundertwende war die Rendite im Allgemeinen gut.^[86] Außerordentlich erfolgreich war die Vitznau-Rigi-Bahn, die von 1871 bis 1890 eine jährliche Rendite von durchschnittlich rund 13 Prozent erzielte.^[83]

Die durch weitere Neubauten entstandene Konkurrenz verminderte die Gewinne.^[86] Die Arth-Rigi-Bahn konnte nicht an den finanziellen Erfolg der Vitznau-Rigi-Bahn anknüpfen und Dividenden gab es praktisch keine. Die Generoso-, die Brienz-Rothorn- und die Brunnen-Morschach-Bahn standen finanziell bis zum Beginn des Zweiten Weltkriegs stets knapp am Abgrund. Die Rorschach-Heiden-Bergbahn überstand die Kriegs- und Krisenjahre nur dank des Güterverkehrs vergleichsweise gut. Die Pilatus-, die Gornergrat- und die Jungfraubahn waren gemessen am Fahrpreis pro Kilometer die teuersten Bahnen der Schweiz. Wegen ihren im Vergleich zu den damaligen Einkommen exorbitanten Fahrpreisen konnten die beiden erstgenannten Bahnen bis 1913 alljährlich Dividenden von 4 bis 7 Prozent des Aktienkapitals ausschütten. Die Zinslasten der extrem hohen Baukosten der Jungfraubahn ermöglichten nur bescheidene Dividenden. Die zusätzlichen Investitionen vieler Bahnen für die elektrische Traktion widerspiegeln den Optimismus, der vor dem Ersten Weltkrieg in der Tourismusbranche noch vorherrschte.^[83]

Die beiden Weltkriege und die Krisen dazwischen trafen die Tourismusbahnen mit aller Härte^[86] und die Betriebsergebnisse rutschten tief in die roten Zahlen.^[83] In Österreich mussten die Kahlenbergbahn und die Gaisbergbahn bereits nach dem Ersten Weltkrieg aufgeben, in der Schweiz war der Personenverkehr der Brienz-Rothorn-Bahn eingestellt. Ein Hoffnungsschimmer war der aufkommende Wintersport, der die Passagierzahlen ansteigen ließ, aber Ausbauten für den Winterbetrieb erforderte.^[86] Nach dem Zweiten Weltkrieg mussten in Deutschland die Petersbergbahn und die Barmer Bergbahn den Betrieb einstellen, die Niederwaldbahn wurde durch eine Gondelbahn ersetzt.

Heute ist die finanzielle Lage der einzelnen Unternehmungen unterschiedlich. Die Pilatus-Bahnen erzielten 2011 bis 2016 einen durchschnittlichen Cashflow von 6,6 Prozent, die Jungfraubahn-Gruppe von 6,2 Prozent.^[87] Die Jungfraubahn profitiert von den mehrheitlich aus Asien stammenden Fahrgästen, die auch bei schlechtem Wetter auf das Jungfraujoch fahren.^[88] Die anderen Bahnen, auch in Deutschland und Österreich, erzielen einen geringen oder gar keinen Gewinn. Um die Jahrtausendwende wurde geprüft, die Arth-Rigi-Bahn und einen Teil der Wengernalpbahn durch kostengünstigere Luftseilbahnen zu ersetzen.^[83]

Unfälle

Trotz des erheblichen Risikopotenzials wegen der großen Gefälle sind Zahnradbahnen heute ein sehr sicheres Verkehrsmittel. In der Vergangenheit kam es zu einigen schweren Unfällen mit mehreren Todesopfern. 1883 entgleiste bei der Werkbahn in Salgótarján (Ungarn) ein zurückrollender Kohlenzug, weil die Zähne des Triebzahnrads der Lokomotive eines bergwärts fahrenden Zugs brachen.^[89] 1907 entgleiste bei der Brohltalbahn ein talwärts fahrender Güterzug mit Personenbeförderung und stürzte einen Bahndamm hinab. 1958 forderte der auf einen Bedienungsfehler des Lokomotivpersonals zurückzuführende Eisenbahnunfall vom Drachenfels 18 Todesopfer. 1964 entgleiste ein talwärts fahrender Zug der Rittner Bahn im Südtirol wegen schlechter Wartung von Oberbau und Fahrzeugen.^[90] 1967 entgleiste die Lokomotive eines talwärts fahrenden Zugs der Mount Washington Cog Railway und kippte zur Seite, worauf der vollbesetzte Vorstellwagen ungebremst bis zur Entgleisung weiterfuhr.^[91]

Geschichte

Vorgeschichte

Die Erfindung des Zahnradantriebs für Eisenbahnen geht zurück zu den Anfängen der Dampflokomotiven:

1804 hatte Richard Trevithick die erste Dampflokomotive der Welt für die Merthyr Tramroad der Pen-y-Darren Eisenhütte in der Nähe von Merthyr Tydfil in Wales, Großbritannien, gebaut. Diese Lokomotive war aber zu schwer für die gusseisernen Schienen, die für von Pferdegespannen gezogene Wagen ausgelegt waren. Da die Schienen immer wieder brachen, wurde der Betrieb nach wenigen Monaten eingestellt.

1811 erhielt John Blenkinsop in England das Patent Nummer 3431 für seine Erfindung, Dampflokomotiven über Zahnräder anzutreiben, die in außerhalb, parallel zur Schiene angebrachten Zahnstangen eingriffen. Die erste Zahnradbahn der Welt wurde von ihm nicht zum Überwinden großer Steigung konstruiert, sondern führte als Industriebahn von der Kohlenzeche in Middleton nach Leeds in England. Sie nahm ihren Betrieb am 12. August 1812 auf.

1814 baute George Stephenson die Lokomotive Blücher für die Killingworth-Kohlenzeche, die Stahlräder mit Spurkranz hatte und auf Stahlschienen den Vortrieb allein durch Adhäsion erzielte. Dieses System setzte sich von nun an allgemein durch.

1848 wurde eine 60 ‰ steile Strecke der Madison & Indianapolis Railroad in Betrieb genommen, für die der Amerikaner Andrew Cathcart eine gusseiserne Lamellenzahnstange und eine entsprechende Lokomotive entwickelte. Die Zahnstange von Cathcart war in der Gleismitte verlegt und nahm die heute übliche Lamellenzahnstange bereits vorweg. Die Anlage bewährte sich zwanzig Jahre lang, bis solche Steigungen mit gewöhnlichen Lokomotiven überwunden werden konnten. 1868 wurde die Strecke mit einer besonders dafür konstruierten Lokomotive auf Adhäsionsbetrieb umgestellt.^[92]

Das Prinzip des Zahnradantriebs wurde wieder aufgegriffen, als in den 1860er-Jahren die Natur touristisch erschlossen wurde und Eisenbahnen Berge erklimmen sollten.

Bahnen auf den Mount Washington und die Rigi

Die erste Bergbahn der Welt mit Zahnradantrieb wurde ab 1866 von Sylvester Marsh errichtet. Sie erklimmt den Mount Washington, New Hampshire, USA und wurde 1869 eröffnet. Die Bahn mit einer Spurweite von 1422 Millimetern ist heute noch in Betrieb, überwindet auf einer Länge von 4,8 Kilometern einen Höhenunterschied von 1097 Metern und weist eine bemerkenswert große Maximalsteigung von 374 ‰ auf.

Der aus dem Elsass stammende Niklaus Riggenbach erhielt 1863 in Frankreich ein erstes Patent für seine Zahnradbahn. Die Erfindung führte er zurück auf seine Erfahrung als technischer Leiter der Hauensteinlinie mit 26 ‰ Steigung, wo selbst mit Sandstreuen das Schleudern der Triebräder nicht immer verhindert werden konnte. 1869 erfuhr er, dass Marsh eine Zahnradbahn auf den Mount Washington baute.^[93] Die von Riggenbach konstruierte Vitznau-Rigi-Bahn wurde am 21. Mai 1871 eröffnet und ist die erste Bergbahn mit Zahnradantrieb Europas. Sie führt mit einer maximalen Steigung von 250 ‰ von Vitznau in der Schweiz am Vierwaldstättersee auf die Rigi. Die Bahn endete zunächst an der Luzerner Kantonsgrenze, da die Konzessionen damals von den Kantonen erteilt wurden. Erst zwei Jahre später erreichte sie den heutigen Endpunkt Rigi Kulm. Riggenbach ging es beim Bau der Rigibahn auch darum, Vorteile der Zahnradbahn gegenüber Adhäsionsbahnen aufzuzeigen. Seine Vorschläge, Alpentransversalen wie die geplante Gotthardbahn als Zahnradbahn zu bauen, erwiesen sich jedoch als Fehlkalkulation.^[86] Die ebenfalls von Riggenbach konstruierte Werkbahn zum Steinbruch Ostermundigen wurde am 6. Oktober 1871 eröffnet. Ihr Betriebsbeginn ist jedoch umstritten.^[5]

Aufschwung der Zahnradbahnen

Der Rigibahn war ein durchschlagender technischer und kommerzieller Erfolg beschieden. Sie leitete zu Beginn der 1880er-Jahre einen Aufschwung im Bau von Zahnradbahnen ein. Die ersten Zahnradbahnen in Österreich-Ungarn waren die am 7. März 1874 eröffnete Kahlenbergbahn bei Wien und die Schwabenbergbahn in Budapest, die am 24. Juni 1874 den Betrieb aufnahm. Als erste Zahnradbahn mit nicht-touristischem Personenverkehr wurde am 6. September 1875 die Rorschach-Heiden-Bergbahn in der Ostschweiz dem Verkehr übergeben.

Die älteste Zahnradbahn Deutschlands ist die 1876 in Betrieb genommene Zahnradbahn des Hüttenwerks Wasseralfingen. Die beiden nachfolgenden Zahnradbahnen Grube Friedrichssegen bei Bad Ems an der Lahn und der Grube Kunst bei Herdorf im Siegerland waren Grubenbahnen. 1883 ging mit der Drachenfelsbahn die erste öffentliche Zahnradbahn in Betrieb, die heute noch im Betrieb ist. Sie hat eine Steigung von 200 ‰.

Bis zur Zeit des Ersten Weltkrieges wurden insgesamt mehr als hundert Zahnradbahnen in Betrieb genommenen, die sich mehrheitlich in Europa befanden. Die weltweit steilste Zahnradbahn ist mit einer maximalen Steigung von 480 ‰ die 1889 eröffnete Pilatusbahn, die vom Ufer des Vierwaldstättersees auf den Pilatus führt. Für diese Bahn entwickelte Eduard Locher ein spezielles, nach ihm benanntes Zahnradsystem.

Die ersten Zahnradbahnen wurden ausschließlich mit Dampflokomotiven betrieben. Im Verlaufe der 1890er-Jahre kam es zur Einführung der elektrischen Traktion, die rasch an Bedeutung gewann. Nach dem Ersten Weltkrieg trat ein Rückgang der Zahl der Zahnradbahnen ein, weil der Zahnradbetrieb durch Adhäsionsantrieb ersetzt oder der Verkehr eingestellt wurde. Viele ursprünglich mit Dampf betriebene Bahnen wurden elektrifiziert, bei einigen wurden die Dampfloks durch Dieseltriebfahrzeuge ersetzt oder ergänzt. Durch die im Laufe der Jahre erfolgte Erneuerung des Rollmaterials wurden Leistungsfähigkeit und Attraktivität der modernisierten Zahnradbahnen gesteigert, wie einige Beispiele zeigen:

• Die Zahn­rad­bahn Štr­ba–Štrbs­ké Ple­so in der Ho­hen Tat­ra in der Slo­wa­kei wu­rde 1931 ab­ge­bro­chen, aber 1970 neu er­öff­net.

• Bei der Pike’s Peak Rail­way in Co­lo­ra­do ka­men 1976 die ers­ten Zahn­rad­trieb­wa­gen der Welt mit die­selhy­drau­li­schem An­trieb in Be­trieb.

• Die Cor­co­va­do-Berg­bahn in Rio de Ja­nei­ro nahm nach einer Ge­samt­er­neue­rung im Jahr 1979 den Be­trieb mit neuen Trieb­wa­gen auf.

• 1992 er­hielt die Schafbergbahn Neu­bau­dampf­lo­ko­mo­ti­ven 999.2 zur Stei­ge­rung der tou­ris­ti­schen At­trak­tivi­tät.

• Seit 1999 ver­keh­ren auf der Schnee­berg­bahn Sa­la­man­der-Züge mit die­sel­hy­drau­li­schen Lo­ko­mo­ti­ven von Huns­let-Barc­lay Ltd.

• 2004 be­schaff­te die Wengernalpbahn im Ber­ner Ober­land Pa­no­ra­ma-Zahn­rad­trieb­wa­gen.

• Das Roll­ma­te­rial der Stre­cke Dia­kop­to–Ka­la­vry­ta auf dem Pe­lo­pon­nes wur­de 2007 mit vier Die­sel­trieb­zü­gen BDmh 2Z+4A/12 mo­der­ni­siert.

• Bei der 1925 ein­ge­stell­ten und 2012 wie­der­er­öff­ne­ten Pa­no­ra­mique des Dô­mes in Frank­reich kom­men Sta­dler-Zahn­rad-GTW zum Ein­satz.

Im 20. Jahrhundert sind neue Zahnradstrecken entstanden durch den Umbau und die Erweiterung von Standseilbahnen, wie die Zahnradbahn Lausanne–Ouchy, der Dolderbahn in Zürich oder eine Tunnelstrecke in Lyon, die heute in das Netz der städtischen Métro integriert ist. 1987 wurde in Australien die Perisher 1987 zur Erschließung eines Skigebiets dem Verkehr übergeben. Im Jahr 1990 wurde in Japan wegen des Baus eines Staudamms ein Abschnitt der bisher als reine Adhäsionsbahn betriebenen Ikawa-Linie verlegt und mit Zahnstange versehen.

Dagegen wurden schon seit den 1920er-Jahren viele Strecken mit Zahnstangenabschnitten mit Neigungen bis etwa 70 ‰ auf reinen Adhäsionsbetrieb umgestellt. Möglich wurde es durch Fortschritte im Lokomotivbau, höhere Achslasten aufgrund von stabilerem Oberbau und dem flächendeckenden Einsatz der durchgehenden, selbsttätigen und mehrlösigen Druckluftbremsen. Pionierleistungen auf diesem Gebiet erbrachte die Halberstadt-Blankenburger Eisenbahn mit ihrer Strecke Blankenburg–Tanne (seinerzeit „Harzbahn“, später Rübelandbahn genannt). Auch als Gruben- und Industriebahnen existieren keine Zahnradradbahnen mehr. Sie wurden durch Förderbänder und gleislose Förderung abgelöst.^[2]

Siehe auch

• Liste von Zahnradbahnen